当日配布資料（1.54MB） - 新技術説明会

2015年2月6日 新技術説明会
ガラスの低温接合法による
マイクロ化学チップの開発
馬渡 和真
東京大学工学系研究科 准教授
1
本研究分野の紹介
2
マイクロ化学チップ： 化学のデバイス
さまざまな分析・医療診断にデバイスを提供
マイクロ/ナノ空間に化学操作（反応，分離，抽出，検出など）を集積化
革新性能： 微量試料（血液一滴），高速（時間→分），簡便，小型化が可能
１９９０年代にコンセプト提案
3
化学操作のマイクロ集積化
本方式
支配原理： 表面・界面張力 >> 重力
100mm
マクロ単位操作
従来法
4
マイクロ基盤技術・方法論
ミクロ単位操作（MUO）の整理・体系化
相合流
相分離
混合・反応
分子輸送・溶媒抽出
連続流化学プロセス（CFCP）
マイクロ多相流によるMUOの自由な組合せ
液液
相合流
気液
気液分離
気液反応 ガス吸収・濃縮
蒸留
固液
その他
蒸発・濃縮
カラム分離
加熱
気泡除去
凝縮
+
膜分離 分子捕捉・固相抽出
細胞培養
マイクロチップ
さまざまなマイクロ化学プロセスの実現
・医療・診断
・医薬品合成
=化学CPU
・環境分析
・化粧品合成
・バイオ分析
・微粒子合成
・覚醒剤分析
5
マイクロ化学チップとシステム
溶媒抽出チップ
環境分析システム
ELISAチップ
免疫分析システム
ガス抽出チップ
アンモニア分析システム
6
拡張ナノ空間化学
~Å
1
ナノ空間
10
nm
100
1
拡張ナノ空間
対象
分子 ナノ粒子
過渡領域
量子効果
原理
（界面効果）
研究手法 CNT ナノポア 研究ツールなし
技術分野 ナノテク
新機能・デバイス
10
µm
100
マイクロ空間
連続流体
古典力学
マイクロ化学チップ
マイクロ化学
1
mm
10 100
1
バルク空間
集積部品：マイクロ単位操作(MUO)
バルクスケール単位操作
10cm
ガラス器具
ガラス器具抽出
混合・反応 相合流
相分離
ミクロ単位操作
マイクロ化学チップ
（デバイス）
100mm
回路：連続流化学プロセス(CFCP)
50 mm
システム
500分割
拡張ナノ流路
7
拡張ナノ空間の特徴
拡張ナノ空間の特徴
表面支配空間
・界面近傍の流体・熱伝導・反応制御
超微小空間（<フェムトリットル）
・単一細胞（ピコリットル）分析
・単一分子分析
革新的な機能デバイス創成
単一分子免疫分析デバイス
超高速・超高分離
クロマトグラフィデバイス
燃料電池デバイス
ヒートパイプデバイス
特異な物性の発現
・水分子の構造化
・粘度上昇（4倍）
・誘電率低下（1/7倍）
・プロトン移動度増大（20倍）
・100℃で水が凝縮
・化学平衡の変化
8
必要な要素技術とアプリケーション
・・・・・・
加工
・・・・・・・・・
細胞
流体制御
検出
プロセス制御
表面
センシング
反応
・・・・・・
・・・・・・
技術的要素
システムインテグレーション
アプリケーション
・・・・・・
食品
プロセス分析
・・・・・・
医薬
化粧品
医療
化学
農業
環境
・・・・・・
法医学 ・・・・・・
9
マイクロ分析装置の各要素技術とシステム
ポンプ
バルブ
Motor
Microvalve
マイクロチップ＆検出装置（TLM)
TLM
マイクロチップ（本発表）
流体インターフェー
ス
試料/試薬溜め
インジェクタ
コネクタ
10
技術課題
マイクロ/拡張ナノ化学チップと
化学機能の付与
11
ガラス性マイクロ化学チップの特徴
【長所】
化学的に安定
耐熱性
再使用可
光学的に安定
多品種少量生産も可能
【短所】
プラスティックに比較して量産性が劣る
12
ガラス製マイクロ化学チップ
13
従来のガラス接合技術： 熱融着法
カバーガラス
接合
・接着剤の使用
耐薬品性低
・熱融着
溝
電気炉
～16時間
おもり
ホットプレス装置
1～2時間
14
従来技術（熱融着法）の課題
ガラス基板の低温接合方法の必要性
従来技術： 熱融着法
従来技術の課題
触媒
電極
生体分子
①従来の熱融着法では、液漏れのないマイクロ流路
は得られるが、高温（1060℃）により修飾物が焼失
②マイクロ/拡張ナノ流路のため、接合後の修飾
極めて困難
低温で高接着性のガラス接合技術が必要
熱融着
1060℃ 6時間
すべて焼失
15
課題を解決する手段
ガラス基板の接合方法
本発明： 低温接合法による化学機能の付与
基板表面処理
①O2プラズマ表面活性化
（全面親水化）
②フッ素をプラズマに添加
（親水性調整）
触媒
電極
生体分子
効果
①液漏れのないマイクロ流路
②接合後も化学種（修飾物など）の機能保持
低温（25-100℃） 2時間
さまざまな化学機能を有するマイクロ化学チップを実現
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拡張ナノ免疫分析デバイスの例
加工プロセス
1. NH2基のパターニング
作製したデバイス
VUV
O 活性酸素
NH2
真空紫外光(VUV)
Si
O O O
SiO2
アミノプロピル
フォトマスク
トリエトキシシラン (パターン幅を制御)
親水表面
OH
Si
O
O O
SiO2
拡張ナノ流路
（深さ200nm）
2. 低温接合
マイクロ流路 拡張ナノ流路
抗体（蛍光標識で可視化）
低温接合(100℃)
3. 抗体修飾
抗体Yを導入
135mm（設計140mm）
反応場体積：83fL
拡張ナノ流路
抗体がNH2基と化学結合
ポリエチレングリコール
（非特異吸着防止）
低温接合により官能基の化学機能を維持
特定の位置にフェムトリットルの分析場を構築可能
K.Shirai, T.Kitamori et al., Small, 10(8),1514-1522(2014)
PCT/JP2013/076271
17
ナノ流体制御における耐圧性能の実証
蛍光溶液を用いた漏れ試験
結果
マイクロ流路 拡張ナノ流路
圧力コントローラ
拡張ナノ流路
蛍光溶液
明視野像
拡張ナノ流路
蛍光溶液
圧力駆動流
3.3 mm
10 mm
蛍光観察像
10 mm
蛍光顕微鏡
要求耐圧：数百kPa（流量~fL/秒）
2 MPaまで漏れはなし
要求耐圧を達成
マイクロ・ナノフルイディクスに必要な耐圧性能を実現
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今後の展開
19
想定される用途
分析・診断・化学合成デバイスなどに幅広く展開可能
単一細胞ゲノミクス・プロテオミクス
POC（Point of care）医療診断
デスクトッププラント
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本技術に関する知的財産権
発明の名称
機能性デバイス及び機能性デバイスの製
造方法
出願番号
PCT/JP2013/076271
出願人
独立行政法人 科学技術振興機構
発明者
馬渡和真 北森武彦
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本技術に関する問い合わせ先
技術問い合わせ：
馬渡 和真
東京大学大学院 工学系研究科 応用化学専攻
Email: [email protected]
ライセンス問合せ：
桑島健
独立行政法人 科学技術振興機構(JST)
Email: [email protected]
ＴＥＬ ０３－５２１４ － ８４８６
ＦＡＸ ０３－５２１４ － ８４１７
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