月例卓話

微小スケールの液体界面と分析操作
火1．はじめに原彰

秀＊扱う 4）．例えばよくある状況として，幅・深さ分析操作を微小化・デバイス化し，分析の自50µm，長さ 100mm の流路を考えると，デバ動化・高速化・高度化を目指す MicroTAS（マイス内部の液体体積は 250nL である．通常のイクロタス）あるいは Lab on Chip（ラボオン

実験室スケールの実験と比較すると桁違いに小チップ）という研究分野が大きく発展していさな空間であることがわかる 5, 6）．

る 1）．リソグラフィーやエッチングといった先さらにこのようなマイクロ流路中で液滴（水端的なマイクロ・ナノ加工技術により，微細な中油滴や油中水滴）を生成すると，図 1 のよう構造をつくることで試料サンプリング，分析前に径のばらつきの小さな液滴が，高速に（1 流処理，検出などの操作が集積化されている．

路あたり 1,000 個毎秒程度）生成可能である 7）．

高度分析の集積化という観点からは，薬剤候

この液滴は隣接する水滴と油相で隔てられ補物質の高速スクリーニングや，DNA ライブており，孤立した反応場・分析場として考えラリーから合成されたタンパクの機能を評価することができる．例えば図 2 のように，1fMるタンパク工学的な手法の集積化など，従来大（10-15M）の溶質を含む水溶液を考える．通常規模な装置で長時間かかった分析を，微量試料の実験室スケールである 1mL では 6 × 106 個で高速に高精度に計測すると言うことが実現しの分子が存在するのに対し，直径 14µm（1pL,

2）

10-12L）の液滴では分子数は 6 × 10-3 個となる．

つつある ．
簡 易 分 析 と い う 観 点 で も，Paper

このような状況では，分子は Poisson 分布に従Microfluidics（紙の上のマイクロ流体）というい液滴に分配される．大部分の液滴はこの分子分野が進展しており，緊急医療の補助的手段を含まず，0.6% の液滴は分子を 1 個含み，分や，途上国における診断補助としての発展が期待されている 3）．
本稿では，上述のように応用デバイスが注目されるマイクロ分析の基礎／基盤として重要な働きをしている，「微小スケール界面」に注目してその特性を明らかにする研究や，特性を上

図1 液 滴生成の例．左から油相（連続相）が流れ，その中に上下から水相（分散相）が導入されている．粘性と張力の関係により液滴化する．写真のスケールバーは100µm．Adapted with permission from
Ref. 7 ） . Copyright (2006) The Japan
Society for Analytical Chemistry.

手く利用した分析法などについてまとめる．
2．溶液の体積・界面の微小化
マイクロ化学では，微小体積の液体を取り＊

東京工業大学大学院理工学研究科准教授

第 288 回京都化学者クラブ例会（平成 26 年 6 月 7 日）講演
124

海洋化学研究第27巻第 2 号

平成26年11月

部分の液滴はこの分子を含まず、0.6%の液滴は分必要になる。のに対し、直径14 µm（1pL, 10−12 L）の液滴では子を 1 個含み、分子を2 個以上含む確率は0.002% 在するというような現象が期待される。このよう分子数は 6×10−3 個となる。このような状況では、以下である。液滴内に分子を含む液滴を数えるこな興味深い現象が本当に起こるのか、計測に基づ(a)

分子は Poisson 分布に従い液滴に分配される。大き議論をしたいが、そのためには特殊な計測法が部分の液滴はこの分子を含まず、0.6%の液滴は分必要になる。とにより、分子カウンティングを実現できる。計測法としては蛍光法が想定される。

子を 1 個含み、分子を 2 個以上含む確率は 0.002%とにより、分子カウンティングを実現できる。計(b)測法としては蛍光法が想定される。
(b)（pL）の比較。

図 318

Numbers of molecule

図図2 2 実実験室スケール（mL）とマイクロ液滴のスケール
験室スケール（mL）とマイクロ液滴のスケール（pL）の比較．

18Numbers of molecule(a)以下である。液滴内に分子を含む液滴を数えるこ

1010121010bulk

12Interface

61010010-6610bulk-910Interface-3-61010Size (m)100010水溶液中の分子数と界面吸着した分子数の関係の子を 2 個以上含む確率は 0.002% 以下である．

-610 -9サイズ依存。(a)溶液中の分子と吸着分子の吸着平衡の模-6-30

図 次に、図2 実験室スケール（mL）とマイクロ液滴のスケール
2a のようなある体積の液体界面への液滴内に分子を含む液滴を数えることにより，Size (m)式図。(b)溶液中分子数と吸着分子数の比較。

10101010（pL）の比較。
図 33 水溶液中の分子数と界面吸着した分子数の関係の水溶液中の分子数と界面吸着した分子数分子 A の吸着平衡を考える。溶液の体積が小さく 図分子カウンティングを実現できる．計測法としの関係のサイズ依存．（a）溶液中の分子サイズ依存。(a)溶液中の分子と吸着分子の吸着平衡の模なるほど、体積に対する表面積の割合が大きくな
３．微小界面の光計測ては蛍光法が想定される．と吸着分子の吸着平衡の模式図．（b）溶式図。(b)溶液中分子数と吸着分子数の比較。
次に、図 2a のようなある体積の液体界面への液中分子数と吸着分子数の比較．
る。そのため、液体体積が小さくなるほど、吸着３．１準弾性レーザー散乱（QELS）法
次に，図 2a のようなある体積の液体界面へ分子 A の吸着平衡を考える。溶液の体積が小さく分子数の割合が増加していくと予想される。界面
光を用いて界面張力を測定する方法に準弾性の分子A の吸着平衡を考える．溶液の体積が3．微小界面の光計測なるほど、体積に対する表面積の割合が大きくな
３．微小界面の光計測活性剤分子である SDS の 1 mM 水溶液を考えると、3. 1レ ーザ ー 散 乱 法 （ Quasi-Elastic Laser Scattering
小さくなるほど，体積に対する表面積の割合が準弾性レーザー散乱（QELS）法る。そのため、液体体積が小さくなるほど、吸着３．１準弾性レーザー散乱（QELS）法

活性剤分子である SDS の 1 mM 水溶液を考えると、

レ ー ザ ー 散 乱 法 （ Quasi-Elastic Laser Scattering

従来の研究の知見から水面には 1 µmol/m2 程度のMethod,法）がある[8,で考えたよ大きくなる．そのため，液体体積が小さくなる
光を 用 いQELSて界面張 力 を 測 定9]。図す る 方2法に準分子数の割合が増加していくと予想される。界面
光を用いて界面張力を測定する方法に準弾性
うな自由表面に発生している界面張力波による密度で SDS が吸着することが知られている。この 弾 性ほど，吸着分子数の割合が増加していくと予
レ ー ザ ー 散 乱 法（Quasi-Elastic Laser
8, 9）
光散乱を光へテロダイン法により測定する方法
濃度と密度が一定と仮定して、サイズ効果を考え
2 1mM
．図 3
想される．界面活性剤分子である
SDS のScatteringMethod,
QELS 法）がある
従来の研究の知見から水面には 1 µmol/mMethod,QELS法）がある[8,9]。図 2 で考えたよ程度の17である。界面張力波は、熱的に様々な波数・振動ると、1 cm サイズの空間では溶液中に 6×10 分子、で考えたような自由表面に発生している界面張水溶液を考えると，従来の研究の知見から水面うな自由表面に発生している界面張力波による密度で SDS が吸着することが知られている。この数の波がランダムに発生・伝搬・減衰する横波で界面に6×10132 分子が存在する。
溶液中に圧倒的多光散乱を光へテロダイン法により測定する方法
濃度と密度が一定と仮定して、サイズ効果を考え程度の密度で SDSが吸着する力波による光散乱を光へテロダイン法により測には1µmol/mあり、振幅は数オングストローム程度である[10]。
数の分子が存在することで平衡が達成されていると、
1 cm サイズの空間では溶液中に 6×1017 分子、 である。界面張力波は、熱的に様々な波数・振動ことが知られている．この濃度と密度が一定と定する方法である．界面張力波は，熱的に様々低粘度での界面張力波の波数 k と振動数 f とのることがわかる。一方で
10 nm
サイズの空間では 数の波がランダムに発生・伝搬・減衰する横波で界面に6×1013 分子が存在する。
溶液中に圧倒的多仮定して，サイズ効果を考えると，1cm
サイな波数・振動数の波がランダムに発生・伝搬・−1
1
分散関係式は、
Navier-Stokes 式から導かれる Lamb
溶液中に 6×10 分子、界面に 6×10 分子という結 あり、振幅は数オングストローム程度である[10]。
数の分子が存在することで平衡が達成されていズの空間では溶液中に 6 × 1017 分子，界面に減衰する横波であり，振幅は数オングストロー
低粘度での界面張力波の波数ることがわかる。一方で10 nm サイズの空間では式により与えられる[11]。 k と振動数 f との果となる。溶液中にほとんど分子が存在しないで、6 × 1013 分子が存在する．溶液中に圧倒的多数ム程度である 10）．
−11
分散関係式は、Navier-StokesLamb
溶液中に6×10 分子、界面に 6×10 分子という結界面に分子が局在する状態となると解釈できる。
1
k 3 式から導かれるの分子が存在することで平衡が達成されている
低粘度での界面張力波の波数k と振動数(1) f とf 式により与えられる[11]。
果となる。溶液中にほとんど分子が存在しないで、2  1   2単一分子程度の濃度を仮定すると、SDS 分子は多ことがわかる．一方で 10nm サイズの空間ではの分散関係式は，Navier-Stokes 式から導かれ界面に分子が局在する状態となると解釈できる。
1γ は界面張力、k 3
くの時間界面に吸着し、時々脱着して溶液中に存
ここでρ1 および2 は界面を形成す11） ρ(1)f  式により与えられる．
溶液中に 6 × 10-1 分子，界面に 6 × 101 分子とる Lamb2   
単一分子程度の濃度を仮定すると、SDS 分子は多1いう結果となる．溶液中にほとんど分子が存在くの時間界面に吸着し、時々脱着して溶液中に存しないで，界面に分子が局在する状態となると解釈できる．単一分子程度の濃度を仮定する

22
ここでγ は界面張力、ρ1 および ρ2 は界面を形成す
2（1）と，SDS 分子は多くの時間界面に吸着し，時々ここで γ は界面張力，ρ1 および ρ2 は界面を形脱着して溶液中に存在するというような現象が成する流体 1 および 2 の密度である．2 流体界期待される．このような興味深い現象が本当に面に波数 K のレーザー光を入射すると，光は起こるのか，計測に基づき議論をしたいが，そ界面張力波により散乱を受ける．この散乱は，のためには特殊な計測法が必要になる．

運動量 ħk の界面張力波の準粒子（リプロン）

Transactions of The Research Institute ofOceanochemistry Vol. 27 No. 2, Nov., 2014125

k  K sin (2)（波数）の波がランダムに生成される[15]。このである。このとき入射光（波数 K）の光周波数をうち、波長が流路幅と一致する（厳密には半波長F とすると、界面張力波周波数 f によりドップラの整数倍の）波は共鳴状態にあると考えられ、そーシフトを受け、散乱光の周波数は、F±f となる。のような波が図 5 右のように選択的増強され、非この散乱光のうちドップラーシフト分（f）を、参共鳴な波は繰り返し反射により素早く減衰する照光（非散乱光）との混合を用いた光へテロダイと考えられる。

による運動量ħK の光子の散乱と見ることがで
ン法によりうなりとして測定し、Eq.
(1)と Eq. (2)から界面張力を得る。図 4(a)に QELS 測定装置のき，散乱の条件は，例を示す[12]。図のように二光束を用いる実験装 (2)中の角度 θ を定めるために、参照（2）
置では、Eq.

界面張力波共鳴の概念図。
様々な波長の波がランダ
図図55 界面張力波共鳴の概念図．様々な波長の波がランダムに発生する状態から，波長ムに発生する状態から、波長が制限空間スケールと共鳴す光と入射光の角度を規定する必要がある。図 4(a)が制限空間スケールと共鳴する波のみがである．このとき入射光（波数 K）の光周波る波のみが増強される。の例では、回折格子を用いて散乱角を決定してい増強される．
数を F とすると，界面張力波周波数 f によりる[13]。図 4(b)にビーカー中の水／ニトロベンゼ

ドップラーシフトを受け，散乱光の周波数は，ン界面を測定したドップラースペクトルの例を に（十分長い距離で）広がるのではなく，流路実際、図 6(a)に示すような、様々な角度からのる流体 1 および 2 の密度である。２流体界面に波なっていた。ここでフタのないマイクロ流路中のられ、この周波数を f として解析する。
フト分（f）を，参照光（非散乱光）との混合により散乱を受ける。この散乱は、運動量 ħk の(2) 12）．図k  KQELSsin  測定装置の例を示す
図 4（a）に-30置で、マイクロ流路中液面を測定すると図 6(b)の波」という観点で考えてみる．まず，図5 左の長い距離で）広がるのではなく、流路幅方向に制ように半波長の整数倍に相当する周波数のピーように様々な波長（波数）の波がランダムに生限されている「制限空間の界面張力」という観点クが現れることをはじめて示した。
成される 15）．このうち，波長が流路幅と一致で考えてみる。まず、図5 左のように様々な波長(a)(b)（波数）の波がランダムに生成される[15]。このする（厳密には半波長の整数倍の）波は共鳴状である。このとき入射光（波数 -35K）の光周波数をのように二光束を用いる実験装置では，Eq.
(2)

うち、波長が流路幅と一致する（厳密には半波長態にあると考えられ，そのような波が図 5 右のF とすると、界面張力波周波数 f によりドップラ中の角度θを定めるために，参照光と入射光の0510 15 20の整数倍の）波は共鳴状態にあると考えられ、そように選択的増強され，非共鳴な波は繰り返し幅方向に制限されている「制限空間の界面張力F数± Kf となる．この散乱光のうちドップラーシ示す。
6.5 kHz に中心周波数をもつスペクトルが得
散乱が重畳されるような単一光束の QELS 光学配液面のように、界面が二次元方向に無限に（十分のレーザー光を入射すると、光は界面張力波を用いた光へテロダイン法によりうなりとして界面張力波の準粒子（リプロン）による運動量 ħK(a)(b)Power (dBm)-20測定し，Eq.
(1) と Eq. (2) から界面張力を得る．の光子の散乱と見ることができ、散乱の条件は、-25-40Frequence (kHz)ーシフトを受け、散乱光の周波数は、F±fとなる。

角度を規定する必要がある．図 4（a）の例では，のような波が図 5 右のように選択的増強され、非この散乱光のうちドップラーシフト分（f）を、参13）

共鳴な波は繰り返し反射により素早く減衰する照光（非散乱光）との混合を用いた光へテロダイと考えられる。

回折格子を用いて散乱角を決定している反射により素早く減衰すると考えられる．

．

実 際， 図 6（a） に 示 す よ う な， 様 々 な 角

図 4 (a)準弾性レーザー散乱法の原理。(b)スペクトルの 度からの散乱が重畳されるような単一光束の図 4（b）にビーカー中の水／ニトロベンゼンン法によりうなりとして測定し、Eq. (1)と Eq. (2)例。Adapted with permission from Ref. [13]. Copyright (2006)

図 6 (a)単一光束 QELS 法によるマイクロ流路内液面（制界面を測定したドップラースペクトルの例を示QELS 光学配置で，マイクロ流路中液面を測定

す．6.5kHzに中心周波数をもつスペクトルが例を示す[12]。図のように二光束を用いる実験装すると図 6（b）のように半波長の整数倍に相から界面張力を得る。図4(a)に QELS 測定装置のThe Japan Society for Analytical Chemistry.

限空間界面）の計測。(b)流路幅 70, 43, 27 µm の流路でのメタノール表面の QELS スペクトル。比較のために空間得られ，この周波数をf として解析する．
置では、Eq. (2)中の角度
θ を定めるために、参照当する周波数のピークが現れることをはじめて界面張力波共鳴の概念図。
with 様々な波長の波がランダ
permission from Ref. [15].
従来の QELS 法には、二光束法[12]や一光束法 図 5制限のない液面。Adapted12）

従来のQELS 法には，二光束法 や一光束示した．
ムに発生する状態から、波長が制限空間スケールと共鳴す光と入射光の角度を規定する必要がある。図4(a)Copyright (2012) American
Chemical Society.
[14]などいくつ可能方法が報告されているが、い14）
る波のみが増強される。などいくつ可能方法が報告されているが，法の例では、回折格子を用いて散乱角を決定していこの制限空間での界面張力波共鳴を利用したずれも角度を決定することが、解析のポイントとる[13]。図 4(b)にビーカー中の水／ニトロベンゼいずれも角度を決定することが，解析のポイン

QELS 法では，光学的に厳密な角度設定は必要

3

実際、図 6(a)に示すような、様々な角度からのなく，様々な角度を同時に計測する単純な集光

ン界面を測定したドップラースペクトルの例をトとなっていた．ここでフタのないマイクロ流示す。6.5 kHz に中心周波数をもつスペクトルが得
路中の液面のように，界面が二次元方向に無限散乱が重畳されるような単一光束の QELS 光学配られ、この周波数を f として解析する。

置で、マイクロ流路中液面を測定すると図6(b)の（a）（b）
ように半波長の整数倍に相当する周波数のピー(b)Power (dBm)(a)-20クが現れることをはじめて示した。

-25(a)-30(b)-35-400510 15 20
Frequence (kHz)

図 6 （a）単一光束
QELS 法によるマイクロ流路内液面（制限空間界面）の計測．（b）
流路幅 70, 43, 27 µm の流路でのメタノー
ル表面の QELS スペクトル．比較のために空間制限のない液面．Adaptedwith
図 6 (a)単一光束
QELS 法によるマイクロ流路内液面（制permission from Ref.15）. Copyright (2012)
限空間界面）の計測。(b)流路幅 70, 43, 27 µm の流路でのAmerican Chemical Society.

図図4 4（a）
 (a)準弾性レーザー散乱法の原理。(b)スペクトルの準弾性レーザー散乱法の原理．
（b）ス
ペクトルの例．Adaptedpermission
例。Adapted
with permission from Ref. with[13]. Copyright(2006)
from Ref.13）. Copyright (2006) The JapanThe Japan Society for Analytical Chemistry.
Society for Analytical Chemistry.

メタノール表面の QELS スペクトル。比較のために空間

従来の QELS 法には、二光束法[12]や一光束法

制限のない液面。Adapted with permission from Ref. [15].

海洋化学研究Chemical第27巻第Society. 2 号[14]などいくつ可能方法が報告されているが、い 126 Copyright (2012) American

ずれも角度を決定することが、解析のポイントと3

平成26年11月

光学系にて計測可能である．通常はこのような参考文献

配置では界面張力決定が困難であるが，本法で1）A. Arora, G. Simone, G.B. Salieb-Beugelaar,は制限空間での自発的共鳴現象によりピークがJ.T. Kim, A. Manz, Anal Chem, 82 (2010)

現れるので，界面張力が得られる．このような

4830.
2） A . F a l l a h - A r a g h i , J . - C . B a r e t , M .

特性は，さらに空間サイズを小さくしたナノ

Ryckelynck, A.D. Griffiths, Lab Chip, 12

メートルサイズ界面の計測や，二次元空間制限(2012) 882.

界面での計測においても有効になると期待され

3）A.K. Yetisen, M.S. Akram, C.R. Lowe, Labる．今後，ナノサイズ界面計測の実証などが期

Chip, 13 (2013) 2210.

待される．

4）A. Manz, N. Graber, H.M. Widmer,Sensors and Actuators B: Chemical, 1

4．おわりに(1990) 244.

本稿では溶液サイズを小さくした場合に起こ

5）A.B. Theberge, F. Courtois, Y. Schaerli, M.

る単一分子閉じ込め，その界面で起こりうる界

Fischlechner, C. Abell, F. Hollfelder,

面局在などの現象を紹介した後，光による微小W.T.S. Huck, Angewandte Chemie

界面計測へのチャレンジを紹介した．単一コInternational Edition, 49 (2010) 5846.

ピーの DNA の分析は，PCR 法による増幅と組

6）H.N. Joensson, H. Andersson Svahn,

み合わせてすでに実現している 2, 5, 6）．単一酵素

Angewandte Chemie International

分子の反応による蛍光分子生成でも同様に単一Edition, 51 (2012) 12176.

分子の検出が可能であることも示されている．

7）M. Fukuyama, A. Hibara, Anal Sci, 27(2011) 671.

これらの考え方は，タンパク工学や薬剤スク

8）R.H. Katyl, U. Ingard, Phys Rev Lett, 20リーニングなどでも利用されている．さまざま(1968) 248.

な変異を導入した DNA ライブラリーから細胞

9）K. Sakai, P.K. Choi, H. Tanaka, K. Takagi,

外でタンパク生成し，その活性の強いものを繰

Rev Sci Instrum, 62 (1991) 1192.

り返し選抜するような操作や，酵素反応を阻害

10）D. Langevin, Light Scattering by Liquid

する物質のスクリーニングなどに微小体積による少数分子化が使われている．これに対して，液体を微小化した時の界面に注目している例は

Surfaces and Complementary Techniques,
Taylor & Francis, 1992.
11）H. Lamb, R. Caflisch, Hydrodynamics,ない．しかし，界面への分子の局在などは，細Cambridge University Press, 1993.

胞内の膜で仕切られた空間での反応などを考え

12）Z.H. Zhang, I. Tsuyumoto, S. Takahashi, T.

るうえで重要になってくると期待される．このKitamori, T. Sawada, J Phys Chem A, 101

ような新しい化学研究のツールの発展が期待さ(1997) 4163.

れる．

13）火原，北森，ぶんせき（2006）242．
14）I. Tsuyumoto, H. Uchikawa, Anal Chem,

謝辞

73 (2001) 2366.
15）C. Pigot, A. Hibara, Anal Chem, 84 (2012)

科研費（基盤研究 B，挑戦的萌芽研究）に深2557.

く感謝する．

Transactions of The Research Institute ofOceanochemistry Vol. 27 No. 2, Nov., 2014127