JP2004340702A

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Publication number: JP2004340702A
Application number: JP2003136766A
Authority: JP
Inventors: Masao Inoue; 政夫井上; Michie Harachi; 美智恵原地
Original assignee: Aida Engineering Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microchip capable of easily detecting the presence of a liquid in a microchannel, and a liquid detection method using it. <P>SOLUTION: In the microchip composed of at least one transparent substrate having a microchannel constituting a flow channel having a predetermined shape arranged on one surface thereof and a transparent counter substrate for sealing the microchannel, a light scattering surface having fine unevenness for scattering light formed thereto is provided to at least a part of the inner wall surface of the microchannel and the presence of a liquid is detected on the basis of the transmitted light of the light scattering surface or the intensity of reflected light. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロチップに関する。更に詳細には、本発明は透明基板内にキャピラリチャネルや反応ポートなどの極微細構造を有するマイクロチップ及びそのキャピラリチャネルや反応ポートなどの内部の透明な液体の存在の有無を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ（Ｌａｂ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ）などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及び反応ポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及び反応ポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロチップ」と呼ばれる。
【０００３】
マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは▲１▼サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、▲２▼分析時間が短い、▲３▼感度が高い、▲４▼現場に携帯し、その場で分析できる、及び▲５▼使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００４】
マイクロチップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１、特許文献２及び非特許文献１などに提案されている。図８に示されるように、マイクロチップ１００は基本的に、透明基板１０２と、この透明基板１０２内に設けられたマイクロチャネル１０４を封止する対面基板１１０とからなる。また、透明基板１０２には前記マイクロチャネル１０４に連通するホール１０６，１０８が開設されている。しかし、場合により、ホール１０６，１０８は対面基板１１０に配設されることもある。
【０００５】
透明基板１０２の形成材料としては前記各文献に開示されているように、例えば、エラストマータイプのシリコン樹脂であるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）が使用される。ＰＤＭＳは良好なモールド転写性や透明性、耐薬品性、生体適合性などマイクロチップの部材として優れた特徴を有する。従って、ＰＤＭＳにより形成されたマイクロチップは、微細構造たるマイクロチャネルを形成する際に、作業が繁雑なエッチングや、切削などの機械加工などの処理プロセスが不要であり、単純かつ安価な型取りと封止だけで極めて簡単にマイクロチャネルを形成することができる。ＰＤＭＳ以外の透明基板材料（例えば、ガラス又はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）など）も同様に使用できる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１５７８５５号公報
【特許文献２】
米国特許第５９６５２３７号明細書
【非特許文献１】
ＤａｖｉｄＣ．Ｄｕｆｆｙｅｔａｌ，ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｏｆＭｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃＳｙｓｔｅｍｓｉｎＰｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ），ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．２３，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１，１９８８，ｐｐ．４９７４−４９８４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、透明基板１０２に形成されたマイクロチャネル１０４の管路径は一般的に、数μｍ〜数百μｍ程度の範囲内である。従って、このような微細な流路を流れる薬液などの液体の目視による検出は、管路径が極微小であるばかりか、扱われる液体の量が極微量であるため極めて困難である。特に、薬液が透明な液体である場合、マイクロチャネル内におけるその有無を目視で確認することは殆ど不可能に近い。しかも、マイクロチャネル内における透明な液体の有無を目視以外の手段により簡便に検出する方法は未だ開発されていない。今後、マイクロチップなどの技術が広く普及していくにつれて、マイクロチャネル内の透明液体を簡便に、かつ確実に検出することは、マイクロチップを用いた分析の自動化や装置化を行う上で絶対的に必要な技術となってくる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、マイクロチャネル内の液体の有無を容易に検出することができるマイクロチップ及びその液体検出方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、一方の表面に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネルが配設された透明基板と、該マイクロチャネルを封止する透明対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記マイクロチャネルの内壁面の少なくとも一部に、光の散乱が発生するような微細な凹凸を形成した光散乱面を設け、その光散乱面の透過光又は反射光の強度により液体の有無を検出することにより解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明のマイクロチップ及び該マイクロチップにおける液体検出方法を具体的に説明する。
【００１１】
図１は本発明のマイクロチップの部分概要断面図である。図１において、本発明のマイクロチップ１は従来のマイクロチップと同様に、ＰＤＭＳなどのような光を透過する透明な基板３の一方の面に、所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル５が形成されており、このマイクロチャネル５を封止する透明対面基板７が前記基板３のマイクロチャネル５形成面に接合されている。本発明のマイクロチップ１は従来のマイクロチップと異なり、マイクロチャネル５の内壁面（例えば、上面）の少なくとも一部に、光の散乱が発生するような微細な凹凸を有する光散乱面９が形成されている。透明対面基板７は例えば、ＰＤＭＳ、ガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などから形成されている。図１において、（Ａ）は透明基板３に、マイクロチャネル５と連通するホール１１及び１３が形成されている実施態様を示し、（Ｂ）は透明対面基板７にホール１１及び１３が形成されている実施態様を示す。説明の便宜上、下記においては、図１（Ａ）の実施態様に係わるマイクロチップ１について説明する。
【００１２】
図２は図１（Ａ）に示されたマイクロチャネル５の部分平面図である。図２のドット面が光散乱面９である。光散乱面９はマイクロチャネル５の内壁面の一部分に形成することもできるが、マイクロチャネル５の内壁面の全てに形成することもできる。光散乱面９をマイクロチャネル５の内壁面の一部分に形成する場合、マイクロチャネル５内に流された液体が光散乱面９の部分にまで達しているか否かを検出するのに利用することができる。一方、光散乱面９をマイクロチャネル５の内壁面の全てに形成する場合、マイクロチャネル５内に流された液体に気泡が含まれているか否かを検出するのに利用できる。マイクロチャネル５において、光散乱面９が形成される部分は、図２に示されるようにマイクロチャネル５の他の部分の内径又は幅に比べて大きくすることができる。このように内径拡大部分に光散乱面９を設けることにより散乱光検出操作を容易にしたり、検出感度を上げることができる。しかし、特別に内径拡大部分を設けること無く、一定の幅のマイクロチャネル５の内壁面に光散乱面９を設けることもできる。図２では、マイクロチャネル５の上面に光散乱面９が配設されているが、側壁面に光散乱面９を設けることもできる。
【００１３】
図３は図１に示されたマイクロチャネル５の製造方法を示す工程図である。先ず、ステップ（ａ）において、最終製品のマイクロチップ１のサイズ（例えば、２０ｍｍｘ２０ｍｍ又は２０ｍｍｘ３０ｍｍ）と概ね同じサイズのシリコンウエハ１５を準備する。シリコンウエハ１５は予め乾燥させたり、表面処理などの所望の前処理を施すこともできる。その後、ステップ（ｂ）において、適当なレジスト材料（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８など）を２０００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍの回転速度で数秒間〜数十秒間にわたってスピン塗布し、オーブン中で乾燥させ、所望の厚さのレジスト膜１７を形成する。次いで、ステップ（ｃ）において、レジスト膜１７上に第１のマスクパターン１９を載置し、この第１のマスク１９の上部から、サンドブラスター２１により砥粒２３を吹き付ける。第１のマスク１９には所定の箇所に開口部２５が配設されており、この開口部２５を通して、下部のレジスト膜１７の上面が砥粒２３により粗面化される。この粗面化は例えば、砂、コールマン石、セラミック又は破砕クルミ殻などの砥粒を用いて実施することができる。砥粒の粒径は例えば、数μｍ〜数百μｍの範囲内であることが好ましい。サンドブラスター２１からの砥粒吐出圧力は例えば、約数ＫＰａ〜約数千ＫＰａの範囲内であり、また、砥粒は約数ｇ／分〜数千ｇ／分の供給速度で吐出することが好ましい。このような砥粒２３の吐出によりレジスト膜１７の該当個所を平均表面粗さ約数十ｎｍ、表面粗さ約数十ｎｍ〜数μｍの範囲内で粗面化させることができる。別法として、所定の表面粗さを有する梨地ローラ（図示されていない）をレジスト膜１７の所望の個所で転圧することにより、該表面を粗面化させることもできる。その後、ステップ（ｄ）において、第１のマスク１９を除去すると、所望の箇所に粗面部２７を有するレジスト膜１７が得られる。次いで、ステップ（ｅ）において、このレジスト膜１７上に第２のマスク２８を通して、適当な露光装置（図示されていない）で露光する。第２のマスク２８は本発明のマイクロチップ１におけるマイクロチャネル５に対応するレイアウトパターンを有する。その後、ステップ（ｆ）において、適当な現像液（例えば、１−メトキシ−２−プロピル酢酸）中で現像し、上面にマイクロチャネル５に対応する微細構造２９を有するマスター３０を生成する。微細構造２９の所定箇所には粗面部２７がそのまま残置されている。所望により、このマスター３０を有機溶媒（例えば、イソプロピルアルコール）及び蒸留水で洗浄することができる。更に、マスター３０の表面をフルオロカーボンの存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することができる。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、ＰＤＭＳのマスター３０からの離型性を改善する。次いで、ステップ（ｇ）において、前記のマスター３０の上面に、ＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を適度な割合で混合し、脱気したＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込む。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中にＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込んで型取りすることが好ましい。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のＳＹＬＧＡＲＤ１８４ＳＩＬＩＣＯＮＥＥＬＡＳＴＯＭＥＲが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。塗布後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で１時間加熱するか若しくは１３５℃で１５分間加熱して硬化させ、ＰＤＭＳ基板３を生成させる。ＰＤＭＳ基板３は透明性の高いゴム状の樹脂であり、マスター３０の微細構造２９が転写されている。その後、ステップ（ｈ）において、ＰＤＭＳ基板３をマスター３０から剥離し、対面基板７に貼り合わせる。最後に、ステップ（ｉ）において、ＰＤＭＳ基板３の上面から下部のマイクロチャネル５に連通するホール１１及び１３を穿設し、本発明のマイクロチップ１を得る。別法として、ステップ（ｈ）において、ＰＤＭＳ基板３の上面から下部のマイクロチャネル５に連通するホール１１及び１３を穿設してから、マスター３０から剥離し、最後に、ステップ（ｉ）において、透明対面基板７に貼り合わせて、本発明のマイクロチップ１を得ることもできる。
【００１４】
図４は本発明のマイクロチャネル５内の液体検出方法の第１の実施態様を示す概念図である。本発明のマイクロチップ１のマイクロチャネル５内の液体検出部位（すなわち、光散乱面９が形成されている部位）に対応する透明基板３の上部に投光器３１を配置し、その対応する対面基板７の下部に受光器３３を配置する。別法として、透明基板３の上部に受光器３３を配置し、その対応する対面基板７の下部に投光器３１を配置することもできる。投光器３１は光源（図示されていない）と、必要に応じて光線を所定の直径の平行光に収束させるためのコリメータレンズ及び／又は収束レンズを有する。光源としては可視光、赤外光、紫外光又はレーザ光などを適宜使用することができる。ＰＤＭＳの透過光の波長は３００〜１１００ｎｍの範囲でほぼ可視光全域をカバーするので、光源としては可視光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）が好ましい。受光器３３は、適当な光学系と受光素子とから構成される。受光素子としては、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）、電荷結合素子（ＣＣＤ）又はホトマルチプライヤーなどが好ましい。比較的安価であり、しかも感度が高い点で、受光器３３としてはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が特に好ましい。受光器３３を構成する光学系は例えば、集光レンズなどである。集光レンズとしては常用の対物レンズ又は屈折率分布型レンズなどを適宜使用することができる。受光器３３は光検出回路３５に接続されている。受光器３３で受光された光は、先ず光検出回路３５のプリアンプ３７で増幅され、次いで、コンパレータ３９で基準値（例えば、液体が存在しない場合の透過光強度値及び液体が存在する場合の透過光強度値）と比較される。コンパレータ３９にはノイズをカットするための閾値電圧調整回路４１が接続されている。コンパレータ３９の結果はＬＥＤ駆動回路４３に送信され、ＬＥＤ４５を点灯させることにより検出結果を目視可能に表示する。言うまでもなく、光検出回路３５の構成は前記のような構成に限定されない。例えば、受光器３３で受光した透過光をＡ／Ｄ変換器で電気信号に変換し、その強度を検出レベルメータで示すことによっても液体の有無を判定することができる。
【００１５】
マイクロチャネル５内に流される液体が、投光器３１の照射する光の波長に対して十分に透明であり、かつ、透明基板３及び対面基板７とその光に対する屈折率が同じか又はほぼ同等であるとすると、マイクロチャネル５内に液体が存在しない場合、投光器３１からの照射光４７は光散乱面９の凹凸により散乱されて散乱光４９となり、受光器３３に入射する透過光５１は少なくなる。その結果、受光器３３で検出される光の強度は低くなる。一方、マイクロチャネル５内に液体が存在する場合、液体は流れていても、静止していてもどちらでも差し支えないが、光散乱面９の凹凸に液体が入り込み、光散乱面９は光学的にほぼ一様な材質となる。そのため、光の散乱は無くなるか、又は軽減され、結果的に受光器３３で検出される透過光の強度は高くなる。従って、受光器３３が受光する光の強度を調べることにより、マイクロチャネル５内の液体の有無を検出することができる。
【００１６】
透明基板３は複数枚積層させて使用することができる。図５はこのような複数枚の透明基板３ａ，３ｂ，３ｃを有するマイクロチップ１における本発明の液体検出方法の第２の実施態様を示す概念図である。図５に示されるように、各透明基板３ａ，３ｂ，３ｃの各マイクロチャネル５ａ，５ｂ，５ｃの各光散乱面９ａ，９ｂ，９ｃが同一直線上に整列するように設けられている。本発明によれば、この光散乱面に対応する位置に投光器３１及び受光器３３を配置し、各マイクロチャネル５ａ，５ｂ，５ｃの光散乱面を通過する透過光の強度を検出することができる。前記図４に示された実施態様と同じ原理から、マイクロチャネル５ａ，５ｂ，５ｃの何れか一つでも液体が満たされていない場合は、光散乱面で入射光が散乱されるために受光器３３で検出される透過光の強度は低くなる。反対に、全てのマイクロチャネルが液体で満たされいる場合は、入射光の散乱は生じないので透過光強度は高くなる。従って、この実施態様によれば、受光器３３で受光される光の強度を調べることにより、全てのマイクロチャネルに液体が満たされているか否かを検出することができる。
【００１７】
本発明の液体検出方法の第３の実施態様を図６に示す。この実施態様によれば、前記第１の実施態様と同様に、投光器（１）３１ａと受光器（１）３３ａがマイクロチャネル５の光散乱面９の位置に対応する位置に配置してある。更に、その近傍でマイクロチャネル５が存在しない位置に投光器（２）３１ｂと受光器（２）３３ｂが配置してある。マイクロチャネル５は透明基板３に対して非常に微小な空間であり、マイクロチャネル５内に液体が満たされた場合と、マイクロチャネル５の無い透明基板３だけの所での光の透過度は非常に近い。従って、マイクロチャネル５内に液体が満たされている場合の受光器（１）の検出強度と、受光器（２）の検出強度は同じか、ほぼ同等となる。一方、マイクロチャネル５内に液体が存在しない場合は、受光器（１）の検出強度は受光器（２）の検出強度より低くなる。これにより、マイクロチャネル５内の液体の有無を検出することができる。
この実施態様の方法は絶対的な検出強度ではなく、２つの検出強度の比較により検出するもので、透明基板３の表面の汚れや投光器及び受光器の経時劣化、周辺からの外乱光などの影響が少なく、一層確実に液体の有無を検出することができる。また、この第３の実施態様の方法は前記実施態様２に示した複数の透明基板を有するマイクロチップにも適用することができる。
【００１８】
本発明の液体検出方法の第４の実施態様を図７に示す。この実施態様によれば、反射光を用いて液体の有無を検出する。この実施態様によれば、投光器３１及び受光器３３が透明基板３の同じ側に配置される。別法として、投光器３１及び受光器３３を透明対面基板７の同じ側に配置することもできる。投光器３１からの照射光４７が透明基板３のマイクロチャネル５の光散乱面９に当たり、そこで反射する反射光５３を受光器３３で受光する。マイクロチャネル５内に液体が存在しない場合、光散乱面９で反射光５３が発生するので、受光器３３は或る強度の反射光５３を検出する。マイクロチャネル５内に液体が満たされている場合、光散乱面９で反射光５３は殆ど発生せず、殆どが透過光５１となる。従って、受光器３３における光検出強度は低くなる。このように、受光器３３による光検出強度を比較することによりマイクロチャネル５内の液体の有無を検出することができる。この第４の実施態様の方法は、前記第１〜第３の実施態様の方法に比べ、投光器３１と受光器３３を透明基板３の同じ側に配置でき、装置への検出器の組込が容易になるという利点がある。その反面、光散乱面９で反射する反射光５３は元々強度が低く、検出器に高い検出性能を必要としたり、外乱光などのノイズの悪影響を受け易いという欠点がある。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例により本発明の方法を具体的に例証する。
【００２０】
実施例１
図４に示されるような構成の装置を用いてマイクロチャネル内の液体の有無について検出試験を行った。
透明基板３として屈折率１．４３のＰＤＭＳを使用し、透明対面基板７として屈折率１．５のガラスを使用した。ＰＤＭＳ透明基板の透明対面基板接合面側に幅１００μｍ、深さ２５μｍのマイクロチャネル５を形成し、このマイクロチャネルの途中に直径３ｍｍの拡径部を設けた。ＰＤＭＳ基板をモールド成型するときのマスターの微細構造の表面を機械的に荒らすことにより、拡径部の上面に平均表面粗さ約２５０ｎｍ、表面粗さ約２５ｎｍ〜約２μｍの範囲内の粗面度を有する光散乱面９を形成した。投光器の光源としてＬＥＤを使用し、レンズで平行光とした。透過光は５倍の対物レンズで、ピンフォトダイオードの受光面（受光面積４１．３ｍｍ^２）に集光させた。このマイクロチャネル内に水を流し、水の無い場合の受光器の受光強度を１００％とし、水を満たした場合、１１０％の強度を検出した。マイクロチャネル内に水が満たされているか否か不明なマイクロチップについて同様な受光強度測定を行った。その結果、受光強度は１１０％であった。これにより、マイクロチャネル内に水が存在することが検出された。
【００２１】
以上、本発明のマイクロチップの代表的な実施態様について具体的に説明したきたが、本発明のマイクロチップは上記の実施態様だけに限定されない。例えば、ＰＤＭＳ透明基板３内にマイクロチャネル５を形成し、このマイクロチャネル５の位置に対応する透明対面基板７の所定箇所に光散乱面９を形成することもできる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マイクロチップのマイクロチャネル内の液体の有無を容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施態様に係わるマイクロチップの部分概要断面図であり、（Ｂ）は本発明の第２の実施態様に係わるマイクロチップの部分概要断面図である。
【図２】図１（Ａ）で示されたマイクロチップの部分平面図である。
【図３】図１（Ａ）で示されたマイクロチップの製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明の液体検出方法の第１の実施態様を示す部分概要図である。
【図５】本発明の液体検出方法の第２の実施態様を示す部分概要図である。
【図６】本発明の液体検出方法の第３の実施態様を示す部分概要図である。
【図７】本発明の液体検出方法の第４の実施態様を示す部分概要図である。
【図８】従来のマイクロチップの一例の部分概要断面図である。
【符号の説明】
１本発明のマイクロチップ
３透明基板
５マイクロチャネル
７透明対面基板
９光散乱面
１１，１３ホール
１５シリコン基板
１７レジスト膜
１９第１のマスク
２１サンドブラスター
２３砥粒
２５開口部
２７粗面部
２８第２のマスク
２９微細構造
３０マスター
３１投光器
３３受光器
３５検出回路
４７照射光
４９散乱光
５１透過光
５３反射光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microchip. More specifically, the present invention relates to a microchip having an ultrafine structure such as a capillary channel or a reaction port in a transparent substrate and a method for detecting the presence or absence of a transparent liquid inside the capillary channel or the reaction port.
[0002]
[Prior art]
Recently, as known by a name such as Microscale Total Analysis Systems (μTAS) or Lab-on-Chip (Lab-on-Chip), a microchannel forming a flow path of a predetermined shape in a substrate and It has been proposed to provide a fine structure such as a reaction port and perform various operations such as chemical reaction, synthesis, purification, extraction, generation and / or analysis of a substance in the fine structure, and some of them have been put to practical use. Structures having microstructures such as microchannels and reaction ports in a substrate manufactured for such a purpose are collectively called "microchips".
[0003]
Microchips can be used for a wide range of applications such as gene analysis, clinical diagnosis, drug screening and environmental monitoring. Compared to the same type of equipment of ordinary size, microchips use (1) significantly less sample and reagents, (2) short analysis time, (3) high sensitivity, (4) carry on-site, It has the advantage that it can be analyzed in the field and (5) it can be disposable.
[0004]
The material, structure, and manufacturing method of the microchip are proposed in, for example,Patent Literature 1, Patent Literature 2,Non-Patent Literature 1, and the like. As shown in FIG. 8, themicrochip 100 basically includes atransparent substrate 102 and a facingsubstrate 110 for sealing amicrochannel 104 provided in thetransparent substrate 102. Further,holes 106 and 108 communicating with themicrochannel 104 are opened in thetransparent substrate 102. However, in some cases, theholes 106 and 108 may be provided in the facingsubstrate 110.
[0005]
As disclosed in the above documents, for example, PDMS (polydimethylsiloxane), which is an elastomer type silicon resin, is used as a material for forming thetransparent substrate 102. PDMS has excellent characteristics as a member of a microchip, such as good mold transferability, transparency, chemical resistance, and biocompatibility. Therefore, a microchip formed by PDMS does not require a complicated process such as etching or machining such as cutting when forming a microchannel as a microstructure, and requires a simple and inexpensive molding. Microchannels can be formed very easily only by sealing. Transparent substrate materials other than PDMS (eg, glass or polymethyl methacrylate (PMMA), etc.) can be used as well.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-157855 A [Patent Document 2]
US Pat. No. 5,965,237 [Non-Patent Document 1]
David C.M. Duffy et al, Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly (dimethylsiloxane), Analytical Chemistry, Vol. 70, No. 23, December 1, 1988, pp. 139-143. 4974-4984
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the channel diameter of themicrochannel 104 formed on thetransparent substrate 102 is generally in the range of several μm to several hundred μm. Therefore, it is extremely difficult to visually detect a liquid such as a chemical solution flowing in such a fine flow path because not only the pipe diameter is extremely small, but also the amount of liquid to be handled is extremely small. In particular, when the liquid chemical is a transparent liquid, it is almost impossible to visually check the presence or absence of the liquid in the microchannel. Moreover, a method for simply detecting the presence or absence of a transparent liquid in a microchannel by means other than visual observation has not yet been developed. In the future, as technologies such as microchips become more widespread, simple and reliable detection of transparent liquids in microchannels is an absolute requirement for automated analysis and instrumentation using microchips. It becomes necessary technology.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a microchip which can easily detect the presence or absence of a liquid in a microchannel, and a method for detecting the liquid.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The object is to provide a microchip comprising a transparent substrate having a microchannel forming a flow path of a predetermined shape on one surface, and a transparent facing substrate sealing the microchannel. At least a portion of the wall surface is provided with a light scattering surface having fine irregularities such that light scattering occurs, and the problem is solved by detecting the presence or absence of a liquid based on the intensity of transmitted light or reflected light of the light scattering surface. You.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the microchip of the present invention and the method for detecting a liquid in the microchip will be specifically described with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 is a partial schematic sectional view of a microchip of the present invention. In FIG. 1, amicrochip 1 according to the present invention, like a conventional microchip, has amicrochannel 5 forming a flow path of a predetermined shape on one surface of atransparent substrate 3 that transmits light such as PDMS. The transparent facingsubstrate 7 for sealing themicrochannel 5 is joined to the surface of thesubstrate 3 on which themicrochannel 5 is formed. Themicrochip 1 of the present invention is different from a conventional microchip in that alight scattering surface 9 having fine irregularities such that light scattering occurs is formed on at least a part of the inner wall surface (for example, the upper surface) of themicrochannel 5. Have been. The transparent facingsubstrate 7 is formed of, for example, PDMS, glass, polymethyl methacrylate (PMMA), or the like. 1A shows an embodiment in whichholes 11 and 13 communicating with themicrochannel 5 are formed in atransparent substrate 3, and FIG. 1B shows an embodiment in whichholes 11 and 13 are formed in a transparent facingsubstrate 7. Some embodiments are shown. For convenience of description, amicrochip 1 according to the embodiment of FIG. 1A will be described below.
[0012]
FIG. 2 is a partial plan view of themicrochannel 5 shown in FIG. The dot surface in FIG. 2 is thelight scattering surface 9. Thelight scattering surface 9 can be formed on a part of the inner wall surface of themicrochannel 5, or can be formed on the entire inner wall surface of themicrochannel 5. When thelight scattering surface 9 is formed on a part of the inner wall surface of themicro channel 5, it can be used to detect whether the liquid flowing in themicro channel 5 reaches thelight scattering surface 9. it can. On the other hand, when thelight scattering surface 9 is formed on the entire inner wall surface of themicrochannel 5, it can be used to detect whether or not the liquid flowing in themicrochannel 5 contains bubbles. In themicrochannel 5, the portion where thelight scattering surface 9 is formed can be larger than the inside diameter or the width of the other portion of themicrochannel 5, as shown in FIG. By providing thelight scattering surface 9 in the enlarged inner diameter portion as described above, the scattered light detection operation can be facilitated and the detection sensitivity can be increased. However, it is also possible to provide thelight scattering surface 9 on the inner wall surface of themicrochannel 5 having a fixed width without providing a specially enlarged inner diameter portion. In FIG. 2, thelight scattering surface 9 is provided on the upper surface of themicrochannel 5, but thelight scattering surface 9 may be provided on the side wall surface.
[0013]
FIG. 3 is a process chart showing a method for manufacturing themicrochannel 5 shown in FIG. First, in step (a), asilicon wafer 15 having a size substantially the same as the size (for example, 20 mm × 20 mm or 20 mm × 30 mm) of themicrochip 1 as a final product is prepared. Thesilicon wafer 15 can be dried in advance or subjected to a desired pretreatment such as a surface treatment. Thereafter, in step (b), an appropriate resist material (eg, negative photoresist SU-8) is spin-coated at a rotation speed of 2000 rpm to 5000 rpm for several seconds to several tens of seconds, dried in an oven, and dried in an oven. A resistfilm 17 having a thickness is formed. Next, in step (c), afirst mask pattern 19 is placed on the resistfilm 17, andabrasive grains 23 are sprayed from above thefirst mask 19 by asandblaster 21. Anopening 25 is provided at a predetermined location in thefirst mask 19, and the upper surface of the lower resistfilm 17 is roughened by theabrasive grains 23 through theopening 25. This roughening can be carried out, for example, using abrasive grains such as sand, colemanite, ceramic or crushed walnut shells. The particle size of the abrasive grains is preferably, for example, in the range of several μm to several hundred μm. The discharge pressure of the abrasive grains from thesandblaster 21 is, for example, in the range of about several KPa to about several thousand KPa, and the abrasive grains can be discharged at a supply speed of about several g / min to several thousand g / min. preferable. Such discharge of theabrasive grains 23 can roughen the corresponding portion of the resistfilm 17 with an average surface roughness of about several tens nm and a surface roughness of about several tens nm to several μm. Alternatively, the surface can be roughened by rolling a matte roller (not shown) having a predetermined surface roughness at a desired portion of the resistfilm 17. Thereafter, in step (d), when thefirst mask 19 is removed, a resistfilm 17 having arough surface portion 27 at a desired position is obtained. Next, in step (e), the resistfilm 17 is exposed through asecond mask 28 by a suitable exposure device (not shown). Thesecond mask 28 has a layout pattern corresponding to themicrochannel 5 in themicrochip 1 of the present invention. Thereafter, in step (f), development is performed in a suitable developing solution (for example, 1-methoxy-2-propylacetic acid) to produce amaster 30 having amicrostructure 29 corresponding to themicrochannel 5 on the upper surface. Therough surface portion 27 is left at a predetermined position of thefine structure 29 as it is. If desired, themaster 30 can be washed with an organic solvent (eg, isopropyl alcohol) and distilled water. Further, the surface of themaster 30 can be treated with a reactive ion etching system in the presence of the fluorocarbon. The reactive ion etching in the presence of the fluorocarbon improves the releasability of the PDMS from themaster 30 in a later step. Next, in step (g), the PDMS prepolymer and the curing agent are mixed at an appropriate ratio on the upper surface of themaster 30, and a degassed PDMS prepolymer mixture is poured. At this time, it is preferable that a mold is used to form a casting mold, and a PDMS prepolymer mixed solution is poured into the casting mold to form a mold. As the PDMS prepolymer mixture, for example, SYLGARD 184 SILICONE ELASTOMER manufactured by Dow Corning Co. of the United States can be suitably used. In this method, a liquid PDMS prepolymer and a curing agent are mixed at a ratio of 10: 1. After the application, the coating is allowed to stand at room temperature for a sufficient time, or is heated in an oven at 65 ° C. for 1 hour or at 135 ° C. for 15 minutes to be cured, thereby forming thePDMS substrate 3. ThePDMS substrate 3 is a highly transparent rubber-like resin, on which thefine structure 29 of themaster 30 is transferred. Thereafter, in step (h), thePDMS substrate 3 is peeled off from themaster 30 and bonded to the facingsubstrate 7. Finally, in step (i), holes 11 and 13 communicating from the upper surface of thePDMS substrate 3 to thelower microchannel 5 are formed to obtain themicrochip 1 of the present invention. Alternatively, in step (h), holes 11 and 13 communicating from the upper surface of thePDMS substrate 3 to thelower microchannel 5 are formed, and then separated from themaster 30. Finally, in step (i), Themicrochip 1 of the present invention can also be obtained by bonding to the transparent facingsubstrate 7.
[0014]
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a first embodiment of the method for detecting a liquid in themicrochannel 5 according to the present invention. Thelight projector 31 is disposed on thetransparent substrate 3 corresponding to the liquid detection site (that is, the site where thelight scattering surface 9 is formed) in themicrochannel 5 of themicrochip 1 of the present invention, and the corresponding facingsubstrate 7 is provided. Thelight receiver 33 is arranged below the. Alternatively, thelight receiver 33 may be arranged above thetransparent substrate 3 and thelight emitter 31 may be arranged below the corresponding facingsubstrate 7. Theprojector 31 has a light source (not shown) and, if necessary, a collimator lens and / or a converging lens for converging a light beam into a parallel light having a predetermined diameter. As a light source, visible light, infrared light, ultraviolet light, laser light, or the like can be used as appropriate. Since the wavelength of the transmitted light of PDMS is in the range of 300 to 1100 nm and covers almost the entire visible light range, the light source is preferably a light emitting diode (LED) that emits visible light. Thelight receiver 33 includes an appropriate optical system and a light receiving element. As the light receiving element, an avalanche photodiode (APD), a photodiode (PD), a charge-coupled device (CCD), a photomultiplier, or the like is preferable. An avalanche photodiode (APD) is particularly preferable as thelight receiver 33 because it is relatively inexpensive and has high sensitivity. The optical system that constitutes thelight receiver 33 is, for example, a condenser lens. As the condenser lens, an ordinary objective lens or a gradient index lens can be used as appropriate. Thelight receiver 33 is connected to thelight detection circuit 35. The light received by thelight receiver 33 is first amplified by thepreamplifier 37 of thelight detection circuit 35, and then is subjected to a reference value (for example, a transmitted light intensity value when no liquid is present and a transmitted light intensity when liquid is present) by acomparator 39. Light intensity value). A thresholdvoltage adjusting circuit 41 for cutting noise is connected to thecomparator 39. The result of thecomparator 39 is transmitted to theLED drive circuit 43, and theLED 45 is turned on to display the detection result visually. Needless to say, the configuration of thephotodetection circuit 35 is not limited to the configuration described above. For example, the presence or absence of the liquid can be determined by converting the transmitted light received by thelight receiver 33 into an electric signal by an A / D converter and indicating the intensity by a detection level meter.
[0015]
The liquid flowing in themicrochannel 5 is sufficiently transparent with respect to the wavelength of the light emitted from thelight projector 31 and has the same or almost the same refractive index as thetransparent substrate 3 and the facingsubstrate 7 for the light. Then, when no liquid exists in themicrochannel 5, the irradiation light 47 from thelight projector 31 is scattered by the unevenness of thelight scattering surface 9 to become scattered light 49, and the transmitted light 51 incident on thelight receiver 33 decreases. As a result, the intensity of light detected by thelight receiver 33 decreases. On the other hand, when a liquid is present in themicrochannel 5, the liquid may be flowing or stationary, but the liquid may enter the unevenness of thelight scattering surface 9. It becomes a substantially uniform material. Therefore, the scattering of light is eliminated or reduced, and as a result, the intensity of the transmitted light detected by thelight receiver 33 increases. Therefore, by checking the intensity of the light received by thelight receiver 33, the presence or absence of the liquid in themicrochannel 5 can be detected.
[0016]
Thetransparent substrate 3 can be used by laminating a plurality of transparent substrates. FIG. 5 is a conceptual diagram showing a second embodiment of the liquid detection method of the present invention in amicrochip 1 having such a plurality oftransparent substrates 3a, 3b, 3c. As shown in FIG. 5, thelight scattering surfaces 9a, 9b, 9c of themicro channels 5a, 5b, 5c of thetransparent substrates 3a, 3b, 3c are provided so as to be aligned on the same straight line. According to the present invention, thelight projector 31 and thelight receiver 33 are arranged at positions corresponding to the light scattering surfaces, and the intensity of transmitted light passing through the light scattering surfaces of themicro channels 5a, 5b, 5c can be detected. . According to the same principle as that of the embodiment shown in FIG. 4, if any one of themicrochannels 5a, 5b, and 5c is not filled with the liquid, the incident light is scattered by the light scattering surface, so that the light receiver The intensity of the transmitted light detected at 33 decreases. Conversely, if all the microchannels are filled with liquid, the transmitted light intensity will be higher because no scattering of incident light will occur. Therefore, according to this embodiment, it is possible to detect whether or not all the micro channels are filled with the liquid by checking the intensity of the light received by thelight receiver 33.
[0017]
FIG. 6 shows a third embodiment of the liquid detection method of the present invention. According to this embodiment, similarly to the first embodiment, the light projector (1) 31a and the light receiver (1) 33a are arranged at positions corresponding to the position of thelight scattering surface 9 of themicrochannel 5. Further, a light projector (2) 31b and a light receiver (2) 33b are arranged in the vicinity thereof at a position where themicrochannel 5 does not exist. Themicrochannel 5 is a very small space with respect to thetransparent substrate 3, and the light transmittance between the case where the liquid is filled in themicrochannel 5 and the case where only thetransparent substrate 3 without themicrochannel 5 is very high. Close to. Accordingly, the detection intensity of the light receiver (1) when the liquid is filled in themicrochannel 5 and the detection intensity of the light receiver (2) are the same or almost equal. On the other hand, when no liquid exists in themicrochannel 5, the detection intensity of the light receiver (1) is lower than the detection intensity of the light receiver (2). Thereby, the presence or absence of the liquid in themicrochannel 5 can be detected.
The method of this embodiment detects not by absolute detection intensity but by comparison of two detection intensities, and is influenced by contamination of the surface of thetransparent substrate 3, deterioration of the projector and the receiver over time, and disturbance light from the periphery. And the presence or absence of liquid can be detected more reliably. Further, the method of the third embodiment can be applied to the microchip having a plurality of transparent substrates described in the second embodiment.
[0018]
FIG. 7 shows a fourth embodiment of the liquid detection method of the present invention. According to this embodiment, the presence or absence of the liquid is detected using the reflected light. According to this embodiment, thelight emitter 31 and thelight receiver 33 are arranged on the same side of thetransparent substrate 3. Alternatively, thelight emitter 31 and thelight receiver 33 can be arranged on the same side of the transparent facingsubstrate 7. Irradiation light 47 from theprojector 31 strikes thelight scattering surface 9 of themicrochannel 5 of thetransparent substrate 3, and reflected light 53 reflected there is received by thelight receiver 33. If there is no liquid in themicrochannel 5, the reflectedlight 53 is generated on thelight scattering surface 9, so that thelight receiver 33 detects the reflected light 53 having a certain intensity. When the liquid is filled in themicrochannel 5, almost no reflected light 53 is generated on thelight scattering surface 9, and almost all light is transmitted light 51. Therefore, the light detection intensity in thelight receiver 33 decreases. Thus, the presence or absence of the liquid in themicrochannel 5 can be detected by comparing the light detection intensities of thelight receiver 33. According to the method of the fourth embodiment, thelight emitter 31 and thelight receiver 33 can be arranged on the same side of thetransparent substrate 3 as compared with the methods of the first to third embodiments, and the detector can be incorporated into the device. There is an advantage that it becomes easy. On the other hand, the reflected light 53 reflected by thelight scattering surface 9 originally has low intensity, requires a high detection performance of the detector, and has a disadvantage that it is easily affected by noise such as disturbance light.
[0019]
【Example】
Hereinafter, the method of the present invention will be specifically illustrated by way of examples.
[0020]
Example 1
A detection test was performed on the presence or absence of liquid in the microchannel using an apparatus having a configuration as shown in FIG.
PDMS having a refractive index of 1.43 was used as thetransparent substrate 3, and glass having a refractive index of 1.5 was used as the transparent facingsubstrate 7. Amicrochannel 5 having a width of 100 μm and a depth of 25 μm was formed on the PDMS transparent substrate on the side of the transparent facing substrate bonding surface, and an enlarged portion having a diameter of 3 mm was provided in the middle of the microchannel. By mechanically roughening the surface of the master microstructure when molding the PDMS substrate, the upper surface of the enlarged portion has an average surface roughness of about 250 nm, and a surface roughness of about 25 nm to about 2 μm. Was formed. An LED was used as the light source of the light projector, and the light was made parallel by a lens. The transmitted light was condensed on a light receiving surface (light receiving area: 41.3 mm² ) of the pin photodiode with a 5 × objective lens. Water was allowed to flow in the microchannel, and the light receiving intensity of the light receiver when there was no water was set to 100%, and when the water was filled, 110% intensity was detected. A similar measurement of the received light intensity was performed for a microchip in which it is unknown whether or not the microchannel is filled with water. As a result, the received light intensity was 110%. Thereby, the presence of water in the microchannel was detected.
[0021]
As mentioned above, although the typical embodiment of the microchip of the present invention has been specifically described, the microchip of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, amicrochannel 5 may be formed in the PDMStransparent substrate 3 and alight scattering surface 9 may be formed at a predetermined position of the transparent facingsubstrate 7 corresponding to the position of themicrochannel 5.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the presence or absence of a liquid in a microchannel of a microchip can be easily detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a partial schematic sectional view of a microchip according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a partial schematic sectional view of a microchip according to a second embodiment of the present invention. is there.
FIG. 2 is a partial plan view of the microchip shown in FIG.
FIG. 3 is a process chart showing a method for manufacturing the microchip shown in FIG.
FIG. 4 is a partial schematic view showing a first embodiment of the liquid detection method of the present invention.
FIG. 5 is a partial schematic view showing a second embodiment of the liquid detection method of the present invention.
FIG. 6 is a partial schematic view showing a third embodiment of the liquid detection method of the present invention.
FIG. 7 is a partial schematic view showing a fourth embodiment of the liquid detection method of the present invention.
FIG. 8 is a partial schematic cross-sectional view of an example of a conventional microchip.
[Explanation of symbols]
1Microchip 3 of the present inventionTransparent substrate 5Micro channel 7 Transparent facingsubstrate 9Light scattering surface 11, 13Hole 15Silicon substrate 17 Resistfilm 19First mask 21Sand blaster 23Abrasive grains 25Opening 27Rough surface 28Second Mask 29Microstructure 30Master 31Projector 33Receiver 35Detection circuit 47Irradiation light 49 Scattered light 51 Transmitted light 53 Reflected light

Claims

Translated fromJapanese

一方の表面に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネルが配設された少なくとも一枚の透明基板と、該マイクロチャネルを封止する透明対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記マイクロチャネルの内壁面の少なくとも一部に、光の散乱が発生するような微細な凹凸を形成した光散乱面を設けたことを特徴とするマイクロチップ。In a microchip comprising at least one transparent substrate provided with a microchannel constituting a flow path of a predetermined shape on one surface, and a transparent facing substrate sealing the microchannel, the inside of the microchannel A microchip provided with a light scattering surface on which at least a part of a wall surface has fine irregularities such that light scattering occurs.