微流体器件的制作方法
【专利摘要】提供一种微流体器件，反应流路不采用蛇行方式，能够实现器件的小型化。在具有反应流路的微流体器件中，反复设置有多个温度循环区域，反应流路以通过多个温度循环区域的方式形成，该多个温度循环区域构成为分别包含温度不同的至少2个温度区域。
【专利说明】微流体器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微流体器件。更详细地，本发明涉及微型反应器、集成型DNA器件以及微小电泳器件等微流体器件。
【背景技术】
[0002]近年，微细加工技术不限定于电气.电子领域，而渗透到流体、机械以及光等各个领域，可以说是在积极地进行研究、开发的同时今后会被进一步注目的技术。通过该微细加工技术的发展，器件的小型化成为可能，能够可靠地应对省资源化以及省能量化这种社会要求。
[0003]特别地，可以说是基于微细加工技术代表性产物的微流体器件，在微型反应器、集成型DNA器件以及微小电泳器件等领域中，能够使用极少量的试料、试剂而使反应溶液反应，因此利用价值很大。
[0004]并且，由于与微细化相伴随的表面积的增大，热移动能够迅速地进行，因此在希望反应流体有需要的温度变化的微流体器件中也能够实现其效果。作为该微流体器件，在专利文献I公开有反应流路采用了蛇行方式的器件。
[0005]在专利文献I中公开一种微小化学器件，例如以PCR (聚合酶链式反应)法为代表那样，使反应溶液在3个不同温度区域中至少进行5循环?40循环，从而能够仅使DNA(脱氧核糖核酸)的某一部分选择性地扩增。为了使该反应溶液在3个不同温度区域中至少进行5循环?40循环，对反应流路采用蛇行方式。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2002-18271号公报
【发明内容】
[0009]发明要解决的课题
[0010]然而，以往的微流体器件使反应流路蛇行，因此存储难以实现器件的小型化的课题。
[0011 ] 因此，本发明的目的在于，提供一种微流体器件，反应流路不采用蛇行方式，就能够实现器件的小型化。
[0012]用于解决课题的手段
[0013]为了解决上述课题，
[0014]本发明的具有反应流路的微流体器件的特征在于，
[0015]反复设置有多个温度循环区域，反应流路以通过多个温度循环区域的方式形成，该多个温度循环区域构成为分别包含温度不同的至少2个温度区域。
[0016]在某个优选方案中，为了解决上述课题，
[0017]微流体器件包括加热器部，[0018]加热器部具有被设定为不同温度的多个加热器，
[0019]在加热器的周边缘区域形成温度区域。
[0020]此外，在某个优选方案中，微流体器件包括相结合的基板和盖板，
[0021]加热器部至少设置在基板和盖板的某一方上，
[0022]反应流路形成在基板与盖板之间。
[0023]此外，在某个优选方案中，并列配置有至少2个反应流路。
[0024]此外，在某个优选方案中，并列配置的至少2个反应流路共用相同的加热器部。
[0025]此外，在某个优选方案中，微流体器件包括试料注入部以及试料排出部，
[0026]并列配置的至少2个反应流路与相同的试料注入部连接。
[0027]此外，在某个优选方案中，加热器由金属薄膜加热器构成。
[0028]此外，在某个优选方案中，包括用于对在反应流路内流动的反应流体的浓度进行测定的检测电极。
[0029]此外，在某个优选方案中，在试料注入部与通过多个温度循环区域的反应流路之间担载有反应试剂。
[0030]此外，在某个优选方案中，微流体器件串联、或者并列、或者串联并联组合地排列。
[0031]发明的效果
[0032]本发明的微流体器件为，反复设置有温度循环区域，反应流路以通过多个温度循环区域的方式形成在器件内，由此能够不使反应流路蛇行地形成，微流体器件的小型化成为可能。
[0033]并且，能够不使反应流路蛇行地形成，由此能够在一个微流体器件内并列配置多个反应流路。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明的微流体器件的整体立体图。
[0035]图2是本发明的微流体器件的分解立体图。
[0036]图3是本发明的微流体器件内的基板的形成工序截面图。
[0037]图4是本发明的微流体器件内的盖板的形成工序截面图。
[0038]图5是本发明的微流体器件内的基板和盖板的接合工序截面图。
【具体实施方式】
[0039]以下，对本发明的微流体器件进行说明。
[0040]此外，在以下说明书的记载中，将微流体器件记载为“器件”。此外，在本说明书中记载的反应流体是指能够在反应流路中流动的液体、气体以及它们的混合物，但不特别限定于此。例如，将固态粒子分散在液体中的浆料也能够包含在与本说明书所述的流体中。
[0041]现有技术为，以反应流体反复通过多个不同温度区域的方式使反应流路蛇行，与此相对，本发明的器件的特征在于，使分别包含温度不同的至少2个温度区域而构成的多个温度循环区域反复。
[0042]以下，对本发明的实施方式的器件进行详细说明。图1是本发明的器件I的整体立体图。图2是本发明的器件I的分解立体图。本发明的器件I包括盖板2以及基板3。盖板2包括贯通孔、加热器部5以及检测电极6，该贯通孔构成试料注入部4以及试料排出部7的一部分。加热器部5以及检测电极6形成在盖板2的下面。加热器部5包括交替地配置的加热器5a以及加热器5b，加热器5a以及加热器5b分别被设定为不同的温度。构成试料注入部4和试料排出部7的一部分的贯通孔形成为，从上面向下面贯通。接着，基板3包括:构成试料注入部4的一部分的凹部、构成试料排出部7的一部分的凹部、反应流路8、反应试剂担载部9以及检测部10。反应流路8处于反应试剂担载部9与检测部10之间，且形成在设置于基板3的通道14与盖板2之间。此外，反应流路8在器件I内具有反应流路8a、8b、8c、8d以及8e。反应流路8c从反应试剂担载部9到检测部10为止为直线状。反应流路8d是与反应流路8b的形状为左右对称的流路。反应流路8e是与反应流路8a的形状为左右对称的流路。反应流路8a、8b、8c、8d以及8e处于通过加热器部5的下部的位直。如以上那样构成的盖板2的下面和基板3的上面以如下方式对置并接合，即，试料注入部4的盖板2内的贯通孔与基板3内的构成试料注入部4的一部分的凹部一致，试料排出部7的盖板2内的贯通孔与基板3内的试料排出部7的凹部一致，检测电极6位于排出部10上部。
[0043]加热器部5内的被设定为不同温度的加热器5a以及加热器5b，在各个加热器周边缘区域形成温度区域。温度区域是指在加热器的周边缘区域形成的温度带。在各个加热器周边缘区域形成的温度区域是温度不同的温度区域，在本实施方式中，温度不同的2个温度区域，从试料注入部4朝向试料排出部7的方向交替地形成。在温度不同的2个温度区域从试料注入部4朝向试料排出部7的方向交替地形成的情况下，可以认为由温度不同的2个温度区域构成的温度循环区域，能够从试料注入部4朝向试料排出部7的方向反复形成有多个。
[0044]基板3的材质例如为硅。盖板2的材质为玻璃。试料注入部4以及试料排出部7的截面形状例如为圆形。但是，不限定于圆形，例如也可以是椭圆形、矩形、正方形或者多边形等形状。反应流路8是用于使反应流体从反应试剂担载部9流到检测部10的流路，通过反复的多个温度循环区域。此外，反应流路8是通过反复的多个温度循环区域的部分为直线状的流路。试料注入部4是用于将反应流体从外部注入的入口，优选设定在器件I的侧端，此外，试料排出部7处于与试料注入部4对置的位置。反应试剂担载部9位于试料注入部4与反应流路8之间，被装入干燥担载的反应试剂。检测部10被设置为用于供检测电极6对反应流体的浓度进行测定。检测电极6位于加热器部5与试料排出部7之间。检测电极6是用于根据对电极施加电压而得到的电流值来测定反应流体的浓度的薄膜电极。试料排出部7是用于将器件I内的反应流体向外部排出的出口。
[0045]接下来，对本发明的器件I的反应流体的反应工序进行说明。首先，所希望的反应溶液被注入到试料注入部4，接着，该反应溶液与反应试剂担载部9内所装入的反应试剂混合。本发明的器件I具有反应试剂担载部9，因此不依赖外部的反应装置就能够快速使其与反应试剂反应。接着，反应试剂与反应溶液混合后的反应流体进入反应流路8。接着，进入反应流路8内的反应流体，在反复的多个温度循环区域中朝向检测部10的方向进入。接着，进入多个温度循环区域而被促进了反应的反应流体向检测部10进入。在检测部10中，根据对检测电极6施加电压而得到的电流值来测定反应流体的浓度。最后，被测定后的反应流体从试料排出部7排出。[0046]以下，对本发明的实施方式的器件I的制造方法进行说明。
[0047]〈基板3的形成〉
[0048]图3是本发明的器件I内的基板3的形成工序截面图。首先，在氧以及氢气氛的扩散炉中，在硅衬底12的正反面形成氧化膜11 (图3 (a))。接着，通过光刻法在氧化膜11上形成抗蚀剂，并通过反应性离子蚀刻(RIE)对氧化膜11进行蚀刻(图3 (b))。接着，将抗蚀剂除去,对露出了硅的部分进行蚀刻,形成构成试料注入部4的一部分的凹部、反应试剂担载部9、反应流路8、检测部10以及构成试料排出部7的一部分的凹部的通道14 (图3(C))。接着，通过基于氟酸等的蚀刻将正反面的氧化膜11除去(图3 (d))。最后，为了提高反应流路8的亲水性，而形成热氧化膜13从而得到基板3 (图3 (e))。除了上述方法以夕卜，在基板3的材质为硅以外的例如树脂的情况下，通道14的形成方法也可以通过注射成型等方法来设置。
[0049]〈盖板2的形成〉
[0050]图4是本发明的器件I内的盖板2的形成工序截面图。首先，使用喷砂、钻孔加工等，在玻璃板15上形成贯通孔(图4 (a))。接着，通过电镀等在贯通孔中填充金属16，例如铜(图4(b))。接着，通过溅射来形成作为加热器的金属薄膜17，例如铝薄膜。在本发明中，不特别限定金属薄膜的种类，但例如优选为铝、金、白金等(图4 (C))。接着，通过光刻法以及蚀刻对通过溅射成膜的铝进行图案形成(图4 (d))。该金属薄膜相当于本发明的器件I内的加热器5a以及5b。接着，为了防止成为加热器5a以及加热器5b的铝薄膜直接接触反应流体，而通过等离子体CVD来形成硅氧化膜18 (图4 (e))。接着，通过化学机械研磨(CMP)将成膜的氧化膜18平坦化(图4(f))。接着，为了设置检测电极6，而通过光刻法、基于氟酸的蚀刻将氧化膜18除去，而形成检测电极6的设置部19 (图4 (g))。最后，通过溅射将金或者白金薄膜形成检测电极6，而得到盖板2 (图4 (h))。
[0051]<基板3与盖板2的接合>
[0052]图5是本发明的器件I内的基板3与盖板2的接合工序截面图。首先，使在图4(h)中得到的盖板2 (图5 (b))上下反转后作为上板，并且使在图3 (e)中得到的基板3(图5 (a))作为下板。接着，将两个板重叠，加热到300°C?400°C程度并保持。接着，在两个板成为所希望的温度时，对盖板2 —侧施加400V?800V的电压。在施加了电压的状态下保持20分?60分，由此使基板3与盖板2接合，得到本发明的器件I (图5 (C))。接合方法不限于阳极接合，例如如果使用表面活性化接合等，则在常温下也能够进行接合。
[0053]以上，对本发明的器件I的构造以及制造方法、本发明的器件I中的反应流体的反应工序进行了说明。然后，本发明的器件I通过采用上述实施方式，能够使器件I内的反应流路8具有各种可能性。
[0054]本发明的器件I为，由于使温度循环区域反复了所需要的温度循环数，因此不需要使反应流路8蛇行。此外，由于不需要使反应流路8蛇行，因此能够在一个器件I内并列配置至少2个反应流路8，并且作为器件I整体也能够实现小型化。此外，器件I内的反应流路8的形状可以分别相同或者不同。
[0055]此外，处于本发明的器件I内的反应流路8通过所反复的多个温度循环区域，因此反应流路8不向试料注入部4的方向返回，就能够从试料注入部4朝向试料排出部7的方向。由此，能够抑制反应流体的送液阻力。[0056]此外，处于本发明的器件I内的反应流路8通过所反复的多个温度循环区域，因此能够使反应流路8从反应试剂担载部9到检测部10为止成为直线状。由此,能够使送液阻力成为最小，并且能够使反应流路8内的反应流体的均匀的流动成为最稳定。
[0057]此外，并列配置有至少2个的反应流路8能够共用一个加热器部5。由此，能够在相同温度变化条件下使多个反应流体反应，因此能够使向反应流体的导热均匀，并且能够客观地观察反应流体的不同导致的反应举动的不同。
[0058]本发明的器件I不限定于上述实施方式，例如能够采用如下那样的实施方式。
[0059]本发明的器件I为，加热器部5内所设定的加热器被设定为不同的2个温度。但是，不限定于设定为不同的2个温度的加热器，也可以是设定为不同的3个以上的温度的加热器。例如，在加热器部5内所设定的加热器被设定为不同的3个温度的情况下，与被设定为不同的2个温度的情况同样，加热器部5内的被设定为不同的3个温度的加热器，在各自的加热器周边缘区域形成温度不同的3个温度区域。温度不同的3个温度区域，从试料注入部4朝向试料排出部7的方向按顺序形成。在温度不同的3个温度区域从试料注入部4朝向试料排出部7的方向反复形成的情况下，可以认为由温度不同的3个温度区域构成的温度循环区域，从试料注入部4朝向试料排出部7的方向反复形成有多个。
[0060]此外，本发明的器件I内的温度循环区域采用反复连续的方式。但是，不是必须采用反复连续的方式，也可以在温度循环区域与温度循环区域之间形成不同的温度区域。
[0061]此外，也可以通过改变加热器的位置或者大小，来改变通过各个温度区域的反应流路8内的反应流体的反应举动。此外，加热器的温度不一定需要朝着试料排出部7的方向按顺序变高、或者变低，也可以是任意的组合。此外，加热器不需要分别分离地配置，例如也可以将一个加热器配置为U字形状。
[0062]此外，加热器部5处于盖板2上，但不是必须处于盖板2上，也可以处于基板3上。此外，试料注入部4以及试料排出部7也可以仅形成在基板3上。此外，加热器部5不是必须为一个，也可以是2个以上。由此，例如并列配置有至少2个的反应流路8也可以共用2个不同的加热器部5。
[0063]此外，不是必须使反应流路8通过所反复的多个温度循环区域的部分成为直线状，也可以是具有半圆、半椭圆等曲线状。由此，由于能够抑制反应流体的送液阻力，因此能够形成反应流路8内的反应流体的均匀的流动。此外，交叉地通过温度循环区域的反应流路8优选正交地通过温度循环区域。
[0064]此外，并列配置有至少2个的反应流路8也可以与相同的试料注入部4连接。由此，相同的反应流体能够通过至少2个的反应流路8，因此所得到的测定值的可靠性变高。
[0065]此外，试料注入部4以及试料排出部7的数量也可以根据并列配置的反应流路8的数量来改变。此外，试料注入部4以及试料排出部7的数量，可以根据并列配置的反应流路8的数量而分别相同或者不同。
[0066]根据以上所述，本发明的器件I的反应流路8在器件I内形成为通过反复的多个温度循环区域，由此能够如下效果:
[0067]( I)能够使反应流路8不蛇行地形成；
[0068]( 2 )由于能够使反应流路8不蛇行地形成，因此能够在一个器件I内高效地并列配置多个反应流路8 ；[0069](3)能够实现稳定的反应流动，因此容易进行反应流体的流动控制以及流动操作；
[0070](4)能够实现器件I的小型化。
[0071]此外，本发明的器件I本身也可以至少排列2个。此时的器件I彼此的排列方式不限定于并联方式，也可以是串联以及/或者并联以及/或者它们的任意组合。由此，在维持各器件I的小型化并且需要经过多次不同的反应工序的情况下是有效的。
[0072]并且，本领域技术人员容易理解，本发明的器件也可以与具有各种功能以及方式的其他不同设备等组合。例如，可以说用于向本发明的器件I注入试料的、以及/或者用于从本发明的器件I排出试料的注射泵等。注射泵的排出压优选为0.1MPa?lOMPa。
[0073]实施例
[0074]在本实施例中，对在器件中实施PCR的情况进行说明。PCR法是使DNA (脱氧核糖核酸)的数量扩增的反应。具体地说，对于包含应扩增的DNA断片、聚合酶酵素、成为DNA扩增的种的引物(primer)而成的反应溶液，将变性温度(约95°C)、退火温度(约60°C)、伸长温度(约60V?75°C)反复30?50循环程度，由此使DNA以指数函数的方式增加。
[0075]在本发明的器件I中，通过加热器形成进行变性反应的高温的温度区域(例如95°C?100°C )、和进行退火、伸长反应的低温的温度区域(例如50°C?75°C )。在此，对以相同温度实施退火反应和伸长反应的情况进行说明，但也可以使这些为不同温度，并分别形成温度区域。在各温度区域中滞留的时间，通过控制反应流体的速度来执行。反应流体的速度通过改变反应流路8的宽度、深度来控制。从使反应流体成为高速的观点出发，各温度区域中的反应流体的滞留时间，例如优选在高温的温度区域中为I秒?5秒程度，在低温的温度区域中为4秒?20秒程度。从小型化的观点出发，送液优选根据毛细管现象来进行，例如只要在20 μ m?100 μ m的范围内设计反应流路8的宽度以及深度，则能够得到所希望的流速。
[0076]从试料注入部4注入的反应溶液，到达干燥担载有反应试剂的反应试剂保持部9，使反应试剂溶解。反应试剂包含聚合酶酵素、引物而成，并通过冻结干燥等而干燥担载。反应试剂溶解后的反应流体根据毛细管现象在反应流路8中传播，此时，通过反复通过高温的温度区域和低温的温度区域，而实施PCR。反应后的反应流体到达检测部10，通过与电极之间的相互作用，而能够得知扩增后的DNA的浓度。
[0077]基板3的形成工序
[0078]该基板3的形成工序是本发明的器件I内的基板3的形成工序。在本实施例中，作为基板3而使用硅。
[0079]( I)热氧化
[0080]在氧以及氢气氛的扩散炉中，在硅衬底12的正反面形成500nm?I μ m程度的硅氧化膜11。
[0081](2)除去硅氧化膜11
[0082]通过光刻法在硅氧化膜11上将抗蚀剂进行图案形成，通过反应性离子蚀刻(RIE)对硅氧化膜11进行蚀刻。
[0083](3) Si 蚀刻
[0084]将抗蚀剂除去，通过深反应RIE (DRIE)将露出了硅的部分例如蚀刻20μπι?100 μ m，形成构成器件的试料注入部4的一部分的凹部、反应试剂担载部9、反应流路8、检测部10以及构成试料排出部7的一部分的凹部的通道14。该硅的蚀刻并不局限于DRIE，例如也可以是使用了 TMAH等的湿.蚀刻。
[0085](4)除去硅氧化膜11
[0086]通过基于氟酸等的蚀刻来除去正反面的硅氧化膜11。
[0087](5)热氧化
[0088]为了提高反应流路8的亲水性,而形成50nm~IOOnm程度的氧化膜。
[0089]盖板2的形成工序
[0090]是本发明的器件I内的盖板2的形成工序。在本实施例中，作为盖板2而使用玻璃。
[0091](1)贯通孔加工
[0092]使用喷砂、钻孔加工等，在玻璃板15上形成贯通孔。
[0093](2)埋入金属16
[0094]通过电镀等，在贯通孔中填充金属16、例如铜。
[0095](3)加热器金属薄膜的形成
[0096]通过派射形成构成加热器的金属薄膜17、例如0.5μηι~1.5μηι程度的招薄膜。在本发明中，不特别限定金属薄膜17的种类，例如优选为铝、金、白金等。
[0097](4)金属薄膜17的图案形成
[0098]通过光刻法以及蚀刻对通过溅射成膜的铝进行图案形成。
[0099](5)形成保护膜
[0100]通过等离子体CVD来形成I μ m~2 μ m程度的硅氧化膜18。防止成为加热器的铝薄膜直接接触液体。
[0101](6)平坦化
[0102]通过化学机械研磨(CMP)将成膜的硅氧化膜18平坦化。
[0103](7)氧化膜的图案形成
[0104]通过光刻法、基于氟酸的蚀刻来除去形成检测电极6的部分的氧化膜。
[0105](8)形成检测电极6
[0106]作为检测电极6，通过溅射来形成金或者白金薄膜。
[0107]基板3与盖板2的接合
[0108]是本发明的器件I内的基板3与盖板2的接合工序。
[0109]作为接合的方法，例如通过阳极接合来接合。首先，将基板3与盖板2重叠，加热到300°C~400°C程度并保持。接着，在基板3和盖板2成为所希望的温度时，相对于基板3向盖板2 —侧施加400V~800V的电压。在施加了电压的状态下保持20分~60分，由此能够实现良好的接合。接合方法不限定于阳极接合，例如如果使用表面活性化接合等，则还能够在常温下进行接合。
[0110]在本实施例中，对作为基板3使用硅、作为盖板2使用玻璃的情况进行了说明，但本发明的器件并不限于此，例如也可以进行树脂的戳引(imprint)加工。
[0111]符号的说明
[0112]I 微流体器件[0113]2盖板
[0114]3基板
[0115]4试料注入部
[0116]5加热器部
[0117]5a加热器
[0118]5b加热器
[0119]6检测电极
[0120]7试料排出部
[0121]8反应流路
[0122]8a反应流路
[0123]8b反应流路
[0124]8c反应流路
[0125]8d反应流路
[0126]8e反应流路
[0127]9反应试剂担载部
[0128]10检测部
[0129]11硅氧化膜
[0130]12硅衬底
[0131]13氧化膜
[0132]14通道
[0133]15玻璃板
[0134]16金属
[0135]17金属薄膜
[0136]18硅氧化膜
[0137]19检测电极设置部
【权利要求】
1.一种微流体器件，具有反应流路，其特征在于， 反复设置有多个温度循环区域，上述反应流路以通过多个上述温度循环区域的方式形成，该多个温度循环区域构成为分别包含温度不同的至少2个温度区域。
2.如权利要求1记载的微流体器件，其中， 上述微流体器件包括加热器部， 上述加热器部具有被设定为不同温度的多个加热器， 在上述加热器的周边缘区域形成上述温度区域。
3.如权利要求2记载的微流体器件，其中， 上述微流体器件包括相结合的基板和盖板， 上述加热器部至少设置在上述基板和上述盖板的某一方上， 上述反应流路形成在上述基板与上述盖板之间。
4.如权利要求1?3任一项记载的微流体器件,其中， 并列配置有至少2个上述反应流路。
5.如权利要求4记载的微流体器件，其中， 并列配置的至少2个上述反应流路共用相同的上述加热器部。
6.如权利要求4或者5记载的微流体器件，其中， 上述微流体器件包括试料注入部以及试料排出部， 并列配置的至少2个上述反应流路与相同的上述试料注入部连接。
7.如权利要求2?6任一项记载的微流体器件,其中， 上述加热器由金属薄膜加热器构成。
8.如权利要求1?7任一项记载的微流体器件,其中， 包括用于对在上述反应流路内流动的反应流体的浓度进行测定的检测电极。
9.如权利要求6?8任一项记载的微流体器件,其中， 在上述试料注入部与通过多个上述温度循环区域的上述反应流路之间担载有反应试剂。
10.一种微流体器件，其中， 权利要求1?9任一项记载的微流体器件串联、或者并列、或者串联并联组合地排列。
【文档编号】G01N35/00GK103781543SQ201280040874
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年8月21日 优先权日:2011年8月22日
【发明者】橘宏明, 辻幸司, 西条隆司, 民谷荣一, 齐藤真人 申请人:松下电器产业株式会社