流体装置和其制造方法、以及流体装置制造用的热转印介质的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及流体装置（fluidic device)和其制造方法，以及流体装置制造用的热 转印介质。
【背景技术】
[0002] 随着纳米技术的近期发展，已经在各个领域中推进设备的小型化。实例包括旨在 使具有严重环境影响的有机溶剂的使用量最小化的反应装置的小型化，和用于要求便携式 的现场工作的简易分析装置的小型化。在用于验血和DNA测试的生物传感器领域、在食物 和饮料的质量控制领域等也要求小尺寸的分析装置。微流体装置作为能够满足这些应用 的技术已经受到关注。微流体装置是具有输送含分析物的样品液体、反应试剂的若干微小 流动路径（流径，flow path)和其中所述试剂等进行反应的反应区域的手掌般大的基片 (substrate)(或立方体）。所述微流体装置容许用所述微小流动路径和所述反应区域进行 各种类型的操作，例如化学反应、基因反应、分离、混合、化验等。
[0003] 将在半导体技术中发展的微型装配技术应用于常规的微流体装置；硅、塑料、玻璃 等作为基片使用。然而，作为通过使用基片制造微流体装置的技术实例的光刻法包括许多 步骤，例如光刻胶的浸渍、热处理、紫外线（UV)辐射、光刻胶的去除等。对于光刻胶、用于除 去所述光刻胶的洗涤液、清洁室、掩膜、光源等需要许多种溶剂和试剂，要求大型设施，而且 要求高水平的专家经验。用于制造微流体装置所需的劳动力成本、材料成本等已经提高了 所述微流体装置的成本，其因此在商业中已经是无法实际使用的。
[0004] 对于所述装置的小型化，如果所述装置的结构和机制是简单的，则是有利的。在化 学分析或生物化学分析的应用中，要求所述设备是廉价而且小型的，因为它们必须是便携 式的。因此，举例来说，有人提出了能够避免用于化学分析的昂贵样品或试剂的浪费的化学 分析薄膜（参见PTL 1)。
[0005] 这种化学分析薄膜是例如由硝化纤维膜制成的化学分析薄膜，并且通过石蜡浸渍 法来界定在所述薄膜中使用的区域和不使用的区域。然而，在所述化学分析薄膜中，在垂直 于所述薄膜表面的方向上形成流动路径。因此，所述薄膜的问题在于只有在沿着与所述薄 膜的厚度相对应的长度上能够形成流动路径。
[0006] 进一步地，关于相对便宜且简单的微流体装置，有人提出了 " y PAD"（微流体纸基 分析装置），其为基底部件是纸的微流体装置（参见PTL 2)。
[0007] 所述" y PAD"是流体装置，它的基底部件是纸且包括由疏水树脂形成的流动路径。 在该纸材中，亲水区域和疏水区域由所述疏水树脂界定。在早期的" yPAD"模型中，通过使 用聚合物光刻胶的光刻技术形成流动路径以便让流体沿所述纸的厚度的方向流动。
[0008] 最近，已经有关于使用印刷技术例如喷墨的流动路径形成方法作为便宜易得的方 法的报道。
[0009] 然而，用所述喷墨技术形成实现平稳流速的微小流动路径是困难的，因为墨具有 渗出的趋势。此外，有人已经对包含于墨中的VOC(挥发性有机化合物）和紫外线（UV)可 固化树脂的光敏性质提出质疑，所述V0C(挥发性有机化合物）和紫外线（UV)可固化树脂 不是用于生物化学领域的合适材料。
[0010] 也已经有关于通过使用相变墨的蜡打印机的流动路径形成方法（参见NPL 1和 PTL 3)。然而，将常规墨设计成具有在纸的表面上停止的树脂组分。因此，简单地印刷所述 墨不会使所述树脂组分渗入纸中，而且难以在纸中界定亲水性区域和疏水性区域。
[0011] PTL 4提出了纸基反应芯片，其中不同于PTLs 1至3,流体沿纸的平面方向流动。 当如在该提议中流体沿纸的平面方向流动时，样品流体可能蒸发而改变流率和流速，这会 影响分析结果。因此，PTL 4用喷墨打印机和紫外线可固化的墨形成覆盖物。然而，如在PTL 4中所记载的，墨具有从表面渗入纸至一定深度的性质。控制渗透深度是困难的。尤其是， 当将墨印刷在具有约100 ym厚度的薄纸张时，认为难以制造覆盖物。
[0012] 引文列表
[0013] 专利文献
[0014] PTL 1 日本专利申请特开（JP-A) No. 08-233799
[0015] PTL 2 日本专利申请公开（JP-B) No. 2010-515877
[0016] PTL 3 JP-A No. 2012-37511
[0017] PTL 4 国际公开 No. 2012/160857
[0018] 非专利文献
[0019] NPL 1 E. Carrilho, A. ff. Martinez, G. M. Whitesides, Anal Chem. ,81,7091(2009)
【发明内容】
[0020] 技术问题
[0021] 本发明的一个目的是提供能够实现在平稳流速下流动的流体装置。本发明的另一 个目的是提供能够抑制样品液体蒸发的流体装置。
[0022] 本发明的又一个目的是提供为制造本发明的流体装置而使用的流体装置制造用 的热转印介质。
[0023] 问题的解决方案
[0024] 在第一种实施方式中，作为对上述问题的解决方案的本发明的流体装置包括：
[0025] 基底部件（base member);
[0026] 设置在所述基底部件之上的多孔层；
[0027] 设置在所述多孔层中的流动路径壁（flow path wall);和
[0028] 由所述流动路径壁的内表面和所述基底部件界定的流动路径，
[0029] 其中所述流体装置的线性度在30%以下，其中所述线性度通过下式得到：线性度 (%) = {[A(mm) - B(mm)]/B(mm)}x100 ,并且
[0030] 其中长度B是在所述流动路径壁的内表面的轮廓上任意两点之间的直线长度，而 长度A是在所述两点之间的连续线（continuous line)长度。
[0031] 在第二种实施方式中，本发明的流体装置包括由以下所围的流动路径：
[0032] 基底部件；
[0033] 设置在所述基底部件之上的多孔层；
[0034] 设置在所述多孔层中的流动路径壁；和
[0035] 设置在所述多孔层之上的保护层，
[0036] 其中所述流动路径壁和所述保护层由热塑性材料制成并彼此熔合。
[0037] 发明的有益效果
[0038] 本发明可以提供能够实现在平稳流速下流动的流体装置。本发明也可以提供能够 抑制样品液体的蒸发的流体装置。
【附图说明】
[0039] 图1A是显示本发明的流体装置制造用的热转印介质的层结构实例的横截面示意 图。
[0040] 图1B是显示流体装置制造用的热转印介质的层结构实例的横截面示意图。
[0041] 图2是显示设置在基底部件上方的多孔层之上的流体装置制造用的热转印介质 的图。
[0042] 图3是显示本发明的流体装置实例的示例性横截面图。
[0043] 图4A是显示在实施方式中在多孔基底部件中形成流动路径实例的图，其中L1为 30mm，L2 为 5mm，L3 为 2mm，L4 为 7mm，且 L5 为 9mm。
[0044] 图4B是显示在实施方式中在多孔基底部件中形成另一流动路径实例的图，其中 L1 为 30mm，L2 为 5mm，L3 为 2mm，L4 为 7mm，且 L5 为 9mm。
[0045] 图4C是显示在实施方式中在多孔基底部件中形成另一流动路径实例的图，其中 L1 为 30mm，L2 为 5mm，L3 为 2mm，L4 为 7mm，且 L5 为 9mm。
[0046] 图4D是显示本发明的另一流体装置实例的示例性横截面图。
[0047] 图5A是显示本发明的流体装置实例的示例性横截面图，其中dl为125 ym。
[0048] 图5B是显示本发明的另一流体装置实例的示例性横截面图，其中dl为125 ym， d2 为 34 y m，且 d3 为 89 y m。
[0049] 图5C是显示本发明的另一流体装置实例的示例性横截面图，其中dl为125 ym， d2 为 44 y m，且 d3 为 73 y m。
[0050] 图是显示本发明的另一流体装置实例的示例性横截面图，其中dl为95 ym。
[0051] 图5E是显示本发明的另一流体装置实例的示例性横截面图，其中dl为125 ym， d2 为 12 y m，且 d3 为 89 y m。
[0052] 图5F是显示本发明的另一流体装置实例的示例性横截面图，其中dl为125 ym， d2 为 23 y m，且 d3 为 70 y m。
[0053] 图6A是显示本发明的流体装置实例的平面图，其中a是样品添加区域，b是流动 路径，c是反应区域，L1为30mm，L2为5mm，L3为2mm，L4为7mm，且L5为9mm。
[0054] 图6B是显示其中在图6A的流动路径的上方设置保护层的状态的平面图，其中a 是样品添加区域，b是流动路径，c是反应区域，L1为30mm，L2为5mm，L3为2mm，L4为7mm， 且L5为9臟。
[0055] 图7A是显示具有"无样品液体侵蚀"的流动路径壁的状态的图。
[0056] 图7B是显示具有受到样品液体的"侵蚀"的流动路径壁的状态的图。
[0057] 图7C是显示具有受到样品液体的"侵蚀"的流动路径壁的状态的图。
[0058] 图8是显示在流体装置中形成的流动路径的图。
[0059] 图9是在对比例4中流动路径的边缘部分的图。
[0060] 图10是在图像处理后的图9的图像。
[0061 ] 图11是实施例1中的流动路径的边缘部分的图。
[0062] 图12是显示在图像处理后的图11的图。
[0063] 图13是显示如何得到流动路径壁的内表面的线性度的示例图，其中长度B为在所 述流动路径壁的内表面的轮廓上任意两点之间的直线的长度（_)，而长度A是在所述两点 之间的连续线的长度（mm)。
[0064] 图14是显示在实施例的流体装置的多孔层中形成的流动路径壁的状态的图。
[0065] 图15是显示在实施例的流体装置的多孔层中形成的流动路径壁的状态的图，其 中 L11 为 5mm，L12 为 17m，L13 为 3mm，L14 为 5mm，L15 为 5mm，L16 为 5mm，L17 为 17mm，L18 为 5mm，且 L19 为 1 7mm 〇
[0066] 图16A是显示本发明的流体装置实例的平面图，其中L21为80mm，且L22为20mm。
[0067] 图16B是显示使着色液体在流动路径中流动的状态的图。
[0068] 图17A是图16B中间的图的横截面图，其中2a是流动路径壁，4是流动路径，且5 是基底部件。
[0069] 图17B是图16B左侧的图的横截面图，其中2a是流动路径壁，4是流动路径，且5 是基底部件。
[0070] 图18是显示在实施例中在多孔基底部件中形成的流动路径实例的图，其中a是样 品添加区域，b是流动路径，c是反应区域，L1为30mm，L2为5mm，L3为2mm，L4为7mm，且 L5 为 9mm〇
[0071] 图19是显示本发明的流体装置实例的示例性横截面图，其中dl为125 ym。
[0072] 图20是显示在图18的流动路径上方设置有保护层的状态的平面图，其中a是样 品添加区域，b是流动路径，c是反应区域，L1为30mm，L2为5mm，L3为2mm，L4为7mm，且 L5 为 9mm〇
【具体实施方式】
[0073] (流体装置）
[0074] 在第一种实施方式中，本发明的流体装置包括多孔层、设置在所述多孔层中的流 动路径壁、和邻接所述多孔层并与所述流动路径壁一起形成用于样品液体的流动路径的基 底材料，而且按需包括其它部件。
[0075] 在第二种实施方式中，本发明的流体装置包括由基底部件、在所述基底部件上方 形成的多孔层、设置在所述多孔层中的流动路径壁和在所述多孔层之上设置的保护层围成 的流动路径，而且按需包括其它部件，其中所述流动路径壁和所述保护层由热塑性材料制 成并彼此熔合。
[0076] 所述流体装置没有特别限制并可根据用途适当地选择。其实例包括用于验血和 DNA测试的生物传感器（传感芯片）、用于食物和饮料的质量控制的小尺寸分析装置、和各 种微流体装置。
[0077] 作为生物传感器使用时，所述流体装置通过色谱法原理检测目标检测组分 (detectiontargetcomponent)。在所述流体装置中，流体是流动相，而所述多孔层是固定 相。所述固定相和物质之间的相互作用实现混合物的分离和检测。所述流动路径壁将所述 目标检测组分输送至所述反应区域而不会吸附它。
[0078] 为了使所述流动路径壁界定流动路径，通过用热塑性材料填充所述多孔层而在所 述多孔层中形成流动路径壁，可以提供没有液体泄漏、安全性好、便宜的和一次性的流体装 置。
[0079] 适合用于所述流体装置的多孔层的材料之一是纸。纸是有利的，因为它是便宜的、 易于处理的、因其薄且重量轻而便于携带的、安全地一次性使用的、适合用于要求装置用完 即可丢弃的（disposability)应用，而且因样品流会通过毛细作用流经纸而不要求外部驱 动器例如栗。
[0080] 通常流动路径壁通过如下方式形成：通过热压将流体装置制造用的热转印介质的 流动路径形成材料层和多孔层结合，并且用熔融的所述流动路径形成材料层填充所述多孔 层中的孔隙。在所述多孔层中，用所述流动路径壁部分地或完全地覆盖或填充除所述流动 路径之外的区域。作为以这种方式用熔融的流动路径形成材料层填充所述多孔层中的孔隙 的结果而形成的流动路径壁可形成流动路径，其排斥液体、在目标（基底部件）区域（例 如，其还没有接受转印）俘获（trap)该液体、并且使所述样品液体通过所述多孔层的毛细 作用流动。
[0081] 热转印打印机适合用于制造满足这些要求的流体装置。在所述热转印打印机中使 用的流体装置制造用的热转印介质的流动路径形成材料层包含热塑性材料，并且所述热塑 性材料的含量比在常规热转印记录介质的墨层中的要大。所述热塑性材料在热转印时易于 渗入纸中，因为它在熔融时具有非常低的熔体粘度，而且在熔融（在填充后）后因其不溶于 水而表现出疏水性。
[0082] 喷墨打印机在打印时不接触纸，而热转印打印机通过经由流体装置制造用的热转 印介质加热和加压将流动路径壁转印至多孔层。因此，该热转印方法还可以物理方式使熔 融的流动路径形成材料层渗入所述纸中。
[0083] 另外，热转印打印机可在干电池水平的电源下运行，并且其尺寸如此小以至于可 单手携带而且是高度灵便的。就这方面而言，这种技术超越了常规的喷墨打印机和蜡打印 机，并可为难于或不可能确保电源的场所提供按需的（on-demand)流体装置。
[0084] 在本发明的第一种实施方式的流体装置中，流动路径壁的内表面轮廓的连续线的 线性度在30 %以下，优选在15 %以下，更优选在10 %以下。
[0085] 通过使所述线性度在30%以下，可以阻止在所述流动路径中流动的液体发生湍 流、和抑制因流速变慢等原因而导致的检测灵敏度下降。
[0086] 现在将阐述如何得到所述线性度。
[0087] (1)使着色液体在流动路径中流动，并且在着色状态下，对任意范围内的一部分流 动路径壁进行成像。可通过例如使用光学显微镜（但不限于此）进行成像。优选得到至少 10mmX 10mm的视野图像。用于图像分析的图像的分辨率优选在20点/mm以上，更优选在 40点/mm以上。
[0088] (2)所得到的图像用图像分析软件程序进行分析以测量流动路径壁的内表面轮廓 的连续线长度A(mm)。轮廓的连续线长度A(mm)用作在轮廓上的任意两点之间的直线长度 B的实际测量值（参见图13)。在所述任意两点之间的直线长度B优选在10mm以上。
[0089] (3)所述轮廓的连续线长度A从任意十个区域测得，并且计算测量值的平均值。将 该值代入以下式中以计算线性度:
[0090] 线性度（％ ) ={[A(mm) -B(mm) ]/B(mm)}X100
[0091] 以下将阐述计算所述线性度的具体实例。
[0092] 在流体装置的多孔层中形成图8中显示的流动路径4,并且使0. 07质量％的红色 颜料（由KiriyaChemicalCo.，Ltd.制造的CARMINEREDKL-80)的水溶液在所述流动路 径中流动以便使边缘部分（在图8中以X标示）中的流动路径4和流动路径壁2a之间的 边界清晰。图9显示对比例4的流体装置的染色的流动路径，其中借助喷墨打印机用UV墨 形成所述流动路径。图11显示以相同方式染色的实施例1的流体装置的流动路径。已经 确认这两种流动路径被完全染色。
[0093] 接着，使用光学显微镜（由KeyenceCorporation制造的DIGITALMICROSCOPE VHX-1000)，将经染色的流动路径在X100的放大倍率下放大并以数字图像的形式记录。
[0094] 所述数字图像的分辨率为40点/臟，并且视野为30mmX 30mm。然而，这些不限于 这些数值。
[0095] 将所得到的数字图像用图像处理软件程序（IMAGE J ;免费软件）进行处理。对所 述图像处理软件没有特别限制且可根据用途适当地选择。
[0096] 接着，执行边缘增强处理（Find Edge指令）以使流动路径4和流动路径壁2a之 间的边界进一步清晰化。对比例4的所得图像在图10中示出，而实施例1中的相同图像在 图12中示出。
[0097] 在对比例4中，在如图10中所示的边缘的线性部分中，为形成阻隔物而涂覆的UV 墨在多孔层的表面中非均匀地展开。这使流动路径4和流动路径壁2a之间的界线在俯视 图中是非线性的（波浪形的），并确认为线性度不良（failure)。同时，在实施例1中，可以 看出在流动路径4和流动路径壁2a之间的界线是线性的，如图12中所示的。
[0098] 接着，用图10和图12的图像，在所述流动路径壁的内表面的主扫描方向D1和次 扫描方向D2上测量所述轮廓的连续线的长度A，所述连续线对应于在所述轮廓上的任意两 点之间的且具有l〇mm长度B的直线。使用所述图像处理软件程序（IMAGEJ)的线段距离测 量（Perimeter指令）来测量所述轮廓的连续线长度A。在图10中所示的对比例4中，所述 轮廓的连续线的长度A在所述流动路径壁的主扫描方向D1上为14. 2mm，而在所述流动路径 壁的次扫描方向D2上为15. 6mm，该连续线对应于在所述轮廓上的任意两点之间的且具有 长度B(10mm)的直线。在图12中所示的实施例1中，所述轮廓的连续线的长度A在所述流 动路径壁的主扫描方向D1上为10. 4mm，而在所述流动路径壁的次扫描方向D2为10. 6mm， 该连续线对应于在所述轮廓上的任意两点之间的且具有长度B(10mm)的直线。
[0099] 本文中，流动路径壁的内表面轮廓的连续线的线性度（％ )可根据线性度（％ )= {[A(mm) -B(mm)]/B(mm)}X100来计算。所述线性度是通过测量十个不同的如在图13中 所示的测量位置并对所得到的测量值取平均而得到的平均值。
[0100] 在对比例4中，在主扫描方向D1上的线性度为42% (= (14. 2- 10)/10X100)， 而在次扫描方向D2上的线性度为56% (= (15. 6 - 10)/10X100)。
[0101] 在实施例1中，在主扫描方向D1上的线性度为4% ( = (10. 4 - 10)/10X100)， 而在次扫描方向D2上的线性度为6% (= (10.2 - 10)/10X 100)。
[0102] 越接近于0%的线性度表明流动路径壁的内表面越是线性的（具有较高的线性）。 较大的线性度表明流动路径壁的内表面具有较多的波动和较低的线性。
[0103] 流体装置的多孔层的流速通过纸色谱法原理控制。在纸色谱法中，理想的是 流过吸附剂（所述多孔层）孔隙的流动相的流速在整个垂直于流动方向的平面上是均 勾的。所述流速的非均勾性导致吸附带变形，从而导致分离能力的劣化（'Thin-layer chromatography-basicsandapplications'-，pp. 6-7,MasayukiIshikawa,Nanzando Co.，Ltd.，1963)。因此，当其中样品液体流动的流体装置的流动路径壁的内表面的线性度 低时（如在对比例2中），在样