電気化学, 89(3)

電気化学と歩んできた道

小さい電極で何ができるか?
—転機を活かそう—
末永 智一（東北大学名誉教授，電気化学会元会長）

1. はじめに1981 年に博士課程を修了した．しかし，大学でのポス人生と同様，研究でもいろいろな転機がある．転機はトは無く，米国のウイスコンシン大学に留学し，D. H.

いろいろな機会に訪れる．今までの研究生活を振り返る

Evans 教授の下で電子移動と有機物の構造変化について基といろいろな転機があった．自分で求めた転機もあった

礎的な研究（計算電気化学）を行った．それまでとは全が，意図せず訪れた転機も多かった．天賦の才がある研

く違う研究であり，午前中は電気化学の測定をして，午究者は，自らの力でこれまでとは異なった新しい研究を後は大学のコンピュータールームに閉じこもりひたすら展開させることができるが，凡庸な私は，環境の変化を計算をする，という生活を続けた．いまではパソコンで新しい研究を始める転機としてきた．

対応できる計算であるが，条件を少しずつ変えながらシ

私は，1972 年に東北大学薬学部に入学したが，特に明ミュレーションで結果を出すにはかなり時間を要した．

確な目的があって入学したわけではない．しかし，今か

ここで本格的にプログラミングを学んだ．このシミュら考えると，これが人生の大きな転機であったことは間レーションを利用して，大学院時代に手がけた分子認識違いない．高校の担任はここなら合格するだろうからとに伴う電極反応を解析し，その反応過程を定量的に理解いうことで，ある大学の医学部の受験を勧めてくれた． することができた．それまで反応の詳細が分からずモヤ
ところが受験の際に体調を崩し（今考えるとインフルエ

モヤしていたが，すっきりした．シミュレーションによ，途中で受験を半ば放棄してしまった． る解析の重要さを思い知らされた1．身分的には不安定なンザだったと思う）
そこで第 2 志望（滑り止め？）の東北大学薬学部に入学

時期ではあったものの，電気化学の基礎をじっくりと勉することになった．こんなことだから学部時代は真面目

強でき，ここで得た知識や手法がその後の研究の基盤とな学生ではなかった．

なった．その後，薬学部に戻り以前の研究を続けること

次の転機は，学部 4 年生の時に所属する研究室を選ぶになった．このまま，薬学部で研究を続けていくことがときであった．その直前に東京大学から長哲郎先生が東いいのか，“薬” との接点をどのようにしようか，などと

北大学薬学部に着任された．それまでの薬学部とは違っ考えていたとき，故内田勇先生と長先生のお計らいで工た面白い研究ができそうだと考え，他の 3 名と共に長研学部に移らないか，というお誘いをいただいた．ポジ

究室の門をくぐった．ここで電気化学に出会い，私の研

ションや研究の面で壁に突き当たっていたこともあり，

究人生が始まった．私の研究分野は電気化学のメインと32 歳で東北大学工学部に移ることを決意した．私のこれは言えない分野であるが，以下に，私の若いころから中までの研究生活において最も大きな転機はこの異動で堅にかけて，その当時研究していたことや考えていたこあった．

とを振り返ってみたい．

2. 大学院から米国留学のころ

3. マイクロエレクトロケミストリーを始めたきっ
かけ

私の指導教授であった長先生は工学部出身であり，周内田先生は，燃料電池の専門家として顕著な業績を挙りの研究室とは違う雰囲気があった．私は助教授であっげられた研究者であったが，私には，“電池の研究はしな

た藤平先生（現東工大名誉教授）に直接の指導を受け， くてもいい，自分の研究をせよ” とのご指導を頂いた．私
当時注目されていた化学修飾電極や分子認識を利用したにとってはプレッシャーではあったが，非常に有り難

選択的電極反応について研究した．自分の研究を学会でかった．そこで新しい研究をしようと考え，マイクロ電発表した際の周りの反応や研究成果が論文に掲載される

気化学の研究をスタートした．当時，マイクロ電極が新ことに一種の快感を覚え，大学院の時に研究者として生しい電極として注目されていた．米国留学先の Evans 研できていくことを決めた．

も，マイクロ電極を作製し反応解析を行っていた．しか308

Salon
電気化学, 89(3)Table 1. マイクロ・ナノ電極システムの利用
プローブ型マイクロ・ナノ電極
局所機能評価（酵素，生体膜，機能性材料）
生体計測（単一細胞，細胞組織，生体組織）
極微化学反応（局所反応，マイクロファブリケーション）
基板型マイクロ・ナノ電極，アレイ型マイクロ・ナノ電極
マルチチャンネル計測，フロー分析，電気化学デバイス
細胞デバイス，3Dマイクロデバイス（高感度計測）
バイポーラーアレイ，誘電泳動（微粒子の捕捉，配列，分離）
マイクロ・ナノ電気化学イメージング（高空間分解）電気化学顕微鏡，イオンコンダクタンス顕微鏡
電気化学セル顕微鏡
ナノイメージング（生体材料，電池材料，2次元機能性材料）（高時間分解）電気化学LSI，電気化学スイッチングデバイス

し，多くは理論も含めた基礎的研究であり，応用研究は
それほど多くなかった．マイクロ電極にはいろいろな種類があり，その応用もいろいろ考えられていたが，バイオ分野で特に有用であることは衆目が一致していた．日
本ではほとんど誰も手がけていないこともあり，各種マ
イクロ電極のバイオ応用の分野で一旗揚げようと思った．
30 歳代に行った各種マイクロ電極を用いた生体分子の検
出，酵素，細胞，生体膜の機能評価，細胞や微粒子の誘電泳動などの研究は，その後の私の研究の基盤となった(Table 1)．
まずは，目立つ成果を挙げて当時の一流ジャーナル（今では評価は大きく変わってしまったが．．．
）で発表
しなければいけない．また，海外の学会で成果を発表し， Figure 1. 研究に用いたマイクロ・ナノ電極とイメージング
自分の研究を海外の研究者に認めてもらう必要がある． システム．
そのためには新しい装置も必要だし，旅費も含めた研究費が必要であった．今では若手研究者を対象とした数1000 万円/年の事業もあるが，当時は 100 万円/年程度のけだろうな，と思ったりもした．研究用の装置作製，機科研費（奨励研究）が若手研究者の獲得できる外部資金

器制御システム開発は面白かった．自分にはこんなことであった．ただ，これでは必要な装置を購入することはが向いていたのか，元々工学系だったのだ，と思った．

難しかった．そこで，研究に必要な装置はなるべく自分作の装置を使えば，既存の装置ではできないこともやれ

4. マ イ ク ロ エ レ ク ト ロ ケ ミ ス ト リ ー の 広 が り(Fig. 1)
4.1 プローブ型マイクロ電極ると考えた．このためには，エレクトロニクス，微細加まず手がけたのは酵素の電気化学であった2,3．酵素ので作ろうと考えた．見栄えさえ気にしなければ，数 100
万円の装置も数万円で自作することができた．また，自工，機器制御など，薬学部出身の私にとって勉強したこ

電極反応を調べていく内に，ジアフォラーゼ固定化電極とのない分野の技術を取り込む必要があったが，私の周上でのメディエーターによる NADH の酸化反応の CV 図

りには多くの専門家がいて助けていただいた．マイクロにきれいなプレピークが出現することを見いだした．酵

電極を作製するための縮小露光機（ステッパー）も自作

素触媒機能が高い証であることは頭では分かっていても，した．装置の性能もあり，当時はせいぜい 5 ミクロン程

それを定量的に理解しようとシミュレーション法を用い度の精度しか出せなかったが，それでも研究に非常に役た解析を試みた．当時としては初めての試みであったと立った．電気化学者でこんなことをしているのは自分だ

思う．計算に用いた PC の性能もあり，それらしい結果は309

Salon
電気化学, 89(3)得られたが完全に CV 図を再現することはできなかった． チャンネルの電気化学計測が可能となった．このマルチどこに問題があるかはだいたい分かっていたが，他にもポテンシオスタットは後に市販された．

いろいろやりたいことがあったのでそのままになってしガラスやシリコン基板上に作製したアレイ電極を用いまった．これが頭の片隅にひっかかっていた．定年となると，面白い電気化学システムを作れると思った．そこり時間ができたので，最近再度シミュレーションで解析

で，電極表面を特異な機能を有する電気あるいはイオンを行った．アルゴリズムの修正と PC の性能向上もあり， 伝導性薄膜で被覆することにより，レドックス種，pH，今度は実験結果を再現できた．ただ，論文にすることは光などに応答したセンサやスイッチ素子ができると考えないと思っている．

た12–14．印象深いのは，基板上のアレイ電極を酵素固定化

固定化酵素の局所機能評価にはマイクロ電極の利用がで被覆したマイクロ電気化学デバイスが，酵素基質に応非常に有効であった．プローブ型マイクロ電極を固定化

答してスイッチ素子として機能したことである．当時は酵素に近づけると，酵素の触媒機能に応じて電流が変化

面白いと言ってくれる海外の研究者もいたが，次の研究する．この変化を定量的に解析することにより，局所領に移ってしまった．最近，このナノ材料を用いて同様の域での固定化酵素の反応パラメータを決定できた．酵素

コンセプトに基づくデバイスの発表が非常に多くなってに限らずいろいろの系に適用できるため，この解析手法いる．その後，この種の電極を利用した生体組織の制御は後に多くの研究者に利用されている．

などに関する研究も行った15．

この手法を，生体膜や細胞の機能評価に用いた4–9．電マイクロ電極に電位を印加すると局所的に不均一な電位依存性イオンチャネルが組み込まれた二分子膜に膜電場を作ることができる．これをうまく利用できないか，

位を印加すると，レドックスイオン種がチャネルを介しと考えていた．ある講演会で誘電泳動の話を聞き，“これて膜を透過し膜に近接させたマイクロ電極で捕捉される． だ” と思った．誘電泳動とは不均一電場に置かれた微粒子
この現象を詳細に解析することによりイオンチャネルのが動く現象である．マイクロ電極の新しい応用法として，選択性が評価できた．また細胞表面にマイクロ電極を近誘電泳動を利用した細胞などの微粒子の捕捉，配列，分

接させて電気化学計測を行うことにより，単一細胞レベ離などの研究をした16–18．また，この現象をフロー系に適ルで機能を評価できた．いろいろな化学種の計測を行っ用しマイクロ分析デバイスも作製した．今では，マイクたが，特に力を入れたのは局所領域における酸素濃度計

ロフローデバイスで誘電泳動は繁用されているが，我々測であった．酸素は生体エネルギー産生の源であり，酸の研究はこのさきがけとなるものであったと思っている．

素濃度計測は生体材料の機能評価に必要不可欠と考えた． 4.3

電気化学イメージングと集積型デバイス

特に，細胞内外の酸素濃度計測に力を入れた．今でも面

1989 年に Bard が走査型電気化学顕微鏡 (SECM) を報告

白いと思うのは，マイクロ酸素センサを単一植物細胞にした．1990 年代に入ると SECM イメージングの結果も報挿入し，光照射に伴う細胞内酸素濃度変化をモニターし告されるようになった．しかし，光学的イメージングにた結果である．光を照射すると細胞内酸素濃度が急上昇

比べ精度は低く，その特徴を十分に活かせていなかった．

し，その後減少し一定値となる．光照射を止めると元に同じような時期に，我々もプローブ型マイクロ電極を動戻る．このような特徴的な応答は，光合成における電子

かしながら電気化学測定をしていた．ただ，動かす方向

移動と CO2 固定反応に起因している．もう少し詳しく調が 1 次元であったため，論文中でも SECM とは呼んでい

べれば面白い結果が出てくるかも知れない．

なかった．30 歳代後半から意識して SECM という呼び方

4.2 基板型マイクロ電極，アレイ型マイクロ電極を使うようにした．SECM を用いて，固定化酵素，機能

当時は，マイクロ電極が配列したマイクロアレイ電極性固定化膜，細胞など，主に生体関連物質を中心にいろの利用も始まりつつあった．それまでの研究は主に静止

いろな材料の電気化学イメージングを行い，その結果を溶液系での挙動解析が主であったので，フロー系での応多くの論文にまとめた．印象深かったのは，酵素をパ．いろいろのことをやったが，一番印象に

ターンニングした基板のイメージングである19,20．酵素の

用を考えた

10,11

残っているのはマルチチャンネル電気化学計測である． 基質を加えると，酵素のパターンが浮き出た画像が得ら
そのためにマルチポテンシオスタットを自作した．回路れた．当然予想された結果ではあったが，その結果を見図を設計し，パターンを焼き付けた基板を作製し，オペ

たときに感動したことを覚えている．このような研究がアンプ，抵抗，コンデンサなどの部品を装着し，フレー注目され，1997 年開催された第 1 回 SECM ワークショッ

ムにつまみやスイッチを取り付けた．AD / DA ボードなど

プに招待された．ドイツの片田舎のホテルに缶詰で密度を介して装置制御とデータ獲得のシステムを作った．この高い議論がなされた．参加者は多くなかったが，アジのような装置はもちろん市販されていなかったが，作製

アからの参加者は私一人であった．

費は 2 万円ほどだったと思う．この装置と 16 個のマイク

2007 年に東北大学に設置されたマイクロシステム融合

ロ電極から構成されるアレイ電極を用いて擬似的に 80

研究開発拠点に参加したことをきっかけに，多点計測用

310

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電気化学, 89(3)の電気化学 LSI を開発することにした21,22．これも転機の学計測を行った．しかし，プローブ型ナノ電極を用いた一つであった．多点電極を利用した電気化学計測は 2000

SECM イメージングは技術的に非常に難しかった．最も年代から報告されるようになった．特に，個々の電極で困難だったのは，プローブ先端—サンプル間距離をナノの酸化還元電流計測を DNA マイクロアレイに応用しよう

メートルレベルで制御することであった．STM や AFM のとする試みがなされ一時注目されたが，感度等に問題がような距離制御法を導入することは原理的に不可能か非あったためか，その後話題になることはなくなった．た

常に困難であったので，いろいろな距離制御法を導入しだ，多点電極はイメージングには有用であると思っていたが，なかなかうまくいかなかった．最終的にナノキャ

た．マイクロシステム融合研究開発拠点で設計，製作にピラリーを利用したイオンコンダクタンスを距離制御に関わり，設計は日本でするが，微細配線を伴う LSI 製造

導入することとした．プローブ電極の作製には工夫が必は台湾など海外ファウンドリに依頼しなければならない要だったが，光学法の回折限界を超えたナノメートルレ

ことを知った．当時の日本の半導体製造の状況に唖然とベルの分解能で酵素や細胞のイメージングが可能となっした．最近，半導体不足がマスコミ等の話題となり，日

た26,27．この手法は，その後多くの研究者が利用している．

本の置かれた現状が市民に知られるようになったが，憂50 歳代半ばで東北大学に設置された原子分子材料科学

慮すべき状況である．ここで開発した電気化学 LSI は， 高等研究機構 (WPI-AIMR) に異動した．これも一つの転機
生体材料への適用を考えていたため，バイオ LSI と称すであった．それまでも，バイオ系以外の材料も研究対象ることにした．非常に高感度であり，いろいろの材料のとしていたが，この異動を機に本格的に研究対象を広げ

多点計測や電気化学イメージングに用いることができた． た．特に興味を持っていたのは，エネルギー関連材料の電気化学 LSI は魅力的なデバイスであるが，設計，製

局所機能評価であった28．容量電流をベースとしたナノ造に多額の研究資金を要するため，簡単に仕様を変える

メートルレベルでの距離制御法を開発できたこともあり，ことはできなかった．そこで，異なる原理で動作し，研材料表面のナノメートル領域での電気化学計測とナノイ

究室レベルで作製できる多点電気化学デバイスの開発もメージングが可能となった．この手法を用いて，2 次元材行った．計測点を増やすとリード配線や端子が増える． 料を含め種々の無機系材料の機能探索を行い，これまでこれを抑えるためには CMOS などの半導体スイッチを用観測できなかった新しい現象を見いだした．

いればいいが，別の方法がないものかと考えていた．そ

有機，無機，生体系材料の機能は電気化学的現象を基

こで 2 つの近接させた電極での電気化学スイッチングをに発現することが多いので，ナノ電気化学計測やナノ電．この原理に基気化学イメージングは機能性材料の局所評価に特に有用利用した多点計測システムを考案した

23,24

づく種々のデバイスを作製し，酵素，細胞，生体組織なであると思っている29．

どの多点電気化学計測やイメージングを行った．スイッ
チング速度は電極間距離に依存するので，電極間距離を

5. 研究生活を振り返って

ナノメートルレベルにすれば，高速スイッチングが可能

マイクロ電極を手がけてから約 35 年．特に，バイオ分である．これまでに無い新しい概念に基づくデバイスな野での応用に関しては自分でできることはやったかな，

ので，面白い用途が広がればいいと思う．

と思う．また，転機による環境変化を，研究の広がりに

電気化学と光学的手法を組み合わせたイメージングシ

繋げることができたとも思う．

ステムの開発も行ったが，深く検討することはしなかっ30 歳代のころは，あまり表には出さなかったが，自分た ．光学的手法では非接触計測が可能であるが，多くのの研究を世界に認めてもらいたいと “ガツガツ” していた．

場合，色素の利用が必要となる．電気化学的手法は測定対世界の中で自分がどのような位置にあるか，研究者コ象の近傍に電極を設置する必要があり，3 次元材料の計測

ミュニティで認めてもらうにはどのようにしたらいいか，には工夫を要するが，その場の情報を正確に把握でき，局ということを常に考えていた．やれることはとにかくや所領域に反応を誘起することができる．2 つの手法の長所

ろうと全力で突っ走った感がある．

25

を活かしたハイブリッドシステムも有用だと考えている．

4.4 マイクロからナノへ

40 歳代では研究の幅を広げるようにした．教授となり研究室を構えるようになると，研究以外の業務が多くな

40 歳代半ばに入ってから，米国が戦略研究目標とした

り，研究現場にいる時間が取れなくなってきた．内心焦こともあって，ナノテクノロジーが注目されるようにりもあったが，後継の育成も重要と考え，研究の現場はなった．当然，私の研究の方向もナノを意識するようにスタッフに任せるようにした．教授になって間もないこなってきた．既に微細加工技術も充分に発展していたの

ろ，米国の Welch 財団から，Welch Award の授賞式の際にで，ナノメートルレベルのプローブ型電極やアレイ電極

開催される講演会に招待された．その年の受賞者はハーを作製することはそれほど困難ではなかった．いろいろ

バード大の Whitesides 教授であり，Bard，Hackermann など

なナノデバイスを作製し，主に生体材料の高感度電気化の重鎮の他に，関連する Wightman，White，Ewing，Tien
311

Salon
電気化学, 89(3)などの気鋭の研究者が招待されていた．往復のビジネス

文 献

クラス航空券，高級ホテル宿泊付きで，このような招待を受けるのは初めてであった．また，格式の高い講演会
で，夜のパーティでは女性はドレス，男性はタキシードという正装で臨む必要があるとのこと．地元で貸衣装を借りることにした．結婚式以来のタキシードであった．
どうも Bard が推薦してくれたようである．
50 歳代になったころ，ある国際学会で “おまえはこの分野のパイオニアの一人だ” と言われた．同じようなことをいろいろな研究者から言われるようになり，狭い分野
ではあるが，研究者として世界で認めてもらったと思った．同時に，研究者としての先が見えてくるようになると，いろいろな賞を狙うことにあまり興味がなくなり，
私自身は各賞への応募はしないことに決めた．
大学だけでなく国内外の研究組織の管理運営に関わることが増え，日本の研究力低下の現状を目の当たりにすると，若手の育成が重要と考えるようになった．そこで，機会がある毎に若手研究者に声がけするようにした．若手の皆さんには自由な発想で研究の幅を広げ，世界で活躍して欲しい．

6. 終わりに
私は研究室を巣立つ学生諸君に “和して同ぜず” という言葉を贈るようにした．どんな仕事でも周りの人々の支援と協力が不可欠である．しかし，周りに流されず自分のアイデンティティは保ち続けることは重要である．私もこのように研究生活を送ってきたつもりである．ここでは名前を挙げなかったが，私の周りには多くの尊敬すべき先輩，同僚がいて，困ったときに大いに助けて頂いた．また，優秀なスタッフや学生に支えられ，研究を続けられてきたことは非常に幸せであった．
読者には研究機関の方も多いと思うが，大学などの研究機関での任期制の導入により，以前のように何十年も同じ機関で研究を続けることが難しくなってきている．
若い研究者の皆さんは，意図しなくとも職場を変わることがあり得ると思う．新しい職場には，大きな飛躍の種が転がっている．異動あるいは転職を，研究を更なるレベルに高めるための転機と考えたらいい．
最後に皆さんに問いたい．
研究（仕事）は面白いですか
目立っていますか312

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