化学とマイクロ・ナノシステム学会誌
Vol.12, No.2 (2013)

化学とマイクロ･ナノシステム
第 12 巻 第 2 号
解説・総説
DNA ナノテクノロジーから分子ロボティクスへ
村田 智 ・・・・・・ 1
第 27 回研究会 若手企画特集
オンチップロボティクスによる高速・高精度細胞操作
佐久間 臣耶、金子 真、新井 史人 ・・・・・・ 3
1 分子レベルでの生体分子解析
内藤 豊裕、矢崎 啓寿、水谷 真夕、馬場 嘉信、大塚 浩二 ・・・・・・ 7
電気化学と微細加工によるソフトウエットデバイスの開発
吉野 修平、小川 雄大、三宅 丈雄、西澤 松彦 ・・・・・・ 11
マイクロ流体技術のタンパク質化学への応用
真栄城 正寿 ・・・・・・ 19
ガラスでチップを作ってみたけど何か質問ある？
山下 忠紘、福山 真央、白井 健太郎 ・・・・・・ 23
平成 24 年度ケミナス奨励賞
超高感度検出法の開発とマイクロ・拡張ナノ化学への展開
馬渡 和真 ・・・・・・ 27
平成 24 年度ケミナス若手優秀賞
極微小デバイス・ナノ操作システムによる生体分子極限計測 新田 英之 ・・・・・・ 29
マイクロリアクターによる有機リチウム化学への新展開
永木 愛一郎 ・・・・・・ 30
レドックスサイクルによる高感度・網羅的電気化学チップデバイスの開発
伊野 浩介 ・・・・・・ 31
トピック 生細胞内の圧力を測定する
清水 一憲 ・・・・・・ 32
研究会報告
化学とマイクロ・ナノシステム学会 第 27 回研究会（仙台）西澤 松彦、梶 弘和 ・・・・・・ 33
化学とマイクロ・ナノシステム学会 第 27 回研究会 若手企画 佐久間臣耶、白井健太郎、
内藤豊裕、福山真央、真栄城正寿、山下忠紘、吉野修平、川井隆之 ・・・・・・ 35
第 27 回研究会 ポスター賞
マイクロカラムを有するマイクロ流体チップを用いたウイルス核酸抽出
新美京、益田泰輔、開發邦宏、加藤修雄、中村昇太、中屋隆明、新井史人 ・・・・・・ 36
超高密度電極デバイスを用いた局所レドックスサイクルによるバイオイメージング
菅野 佑介、伊野 浩介、珠玖 仁、末永 智一 ・・・・・・ 38
試薬放出キャピラリーと試薬含有ハイドロゲルを組み合わせた糖質分解酵素活性の簡便・高感度アッセイデバイスの開発
安倉 直希、末吉 健志、遠藤 達郎、久本 秀明 ・・・・・・ 40
細胞遊走関連遺伝子スクリーニングのためのマイクロデバイス
榎本 詢子、長崎 玲子、藤田 聡史、福田 淳二 ・・・・・・ 42
ハイドロゲル製マイクロ流路を利用した管腔組織作製の試み
岩瀬 優輝、山田 真澄、関 実 ・・・・・・ 44
多角度共焦点観察のための磁場による単一接着細胞ハンドリング技術の構築
手島 哲彦、尾上 弘晃、青沼 宏佳、嘉糠 洋陸、竹内 昌治 ・・・・・・ 46
お知らせ、平成 25 年度定時社員総会議事録、ほか
・・・・・・ 48

解説・総説DNA ナノテクノロジーから分子ロボティクスへ村田

智*1

1 東北大学大学院工学系研究科,

From DNA Nanotechnology Toward Molecular Robotics
Satoshi Murata*1
1

Graduate School of Engineering, Tohoku University

Abstract
The rapid progress of molecular nanotechnology leads us toward Molecular Robotics, which uses molecules as
robot components. The molecular robotics emerges in the intersection of various fields including chemistry,
biophysics, DNA nanotechnology, systems science and robotics. Last year, a research project focusing on
Molecular Robotics was awarded a Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (FY2012-16), MEXT,
Japan. In this report, a brief summary of a trend toward Molecular Robotics based on recent development of DNA
nanotechnology is presented.
Keywords: Molecular Robotics, DNA nanotechnology, Molecular Computation, DNA nanostructure.

1. はじめにの学術的・技術的成果をシステム工学・情報工学の方

物質を構成する分子そのものの性質をプログラム

法論によって統合することで，分子システム構築の方することにより，その物質自身が望みのものに「なる」

法論を一段上の階層に引き上げ，分子レベルでの設計

ボトムアップのアプローチが注目を集めている[1]．

原理に基づいて自己集合した分子システムにより望分子そのものを設計し，分子の自己集合によって，原みの動的挙動を実現する試みが「分子ロボティクス

子分解能をもつ人工物を作り上げるこの方法論の出（分子ロボット工学）」[3]である．この小文では，DNA

現は，ものづくりの方法論を根本的に変える可能性を

ナノテクノロジーから分子ロボティクスへ向かう研持っている．これにより，あらゆる人工物が分子レベ

究の流れについてかいつまんで紹介を試みる．

ルの精度を持つようになれば，生体機能を人工的に再構成できるだけでなく，分子レベルの自己修復，自己2. DNA ナノテクノロジー

改変といったことが可能となり，さまざまな分野へのDNA でナノ構造をつくるという発想は，1983 年に波及効果は計り知れないものとなるだろう．このよう米国の N. Seeman がはじめて提唱したもので，枝分かな技術のなかで，核酸のハイブリダイゼーション反応

れをもつ DNA 断片をつくり，これを粘着末端でつなを基本に，極めて複雑な分子システムの構築を可能にぎ合わせてナノ構造をつくるというものである．そのしつつある技術が「DNA ナノテクノロジー」である

後，1998 年頃から DNA タイルなどのさまざまな DNA[2]．この技術により，たとえば，溶液の中にコンピュ

構造モチーフが開発されたことを契機に，さまざまなーターを創ることが可能になっている（分子コンピュ研究が発展してきている．DNA ナノ構造の作り方にーティング）．また，DNA のもつプログラム性をナノは大きく 2 つの方法がある．ひとつはモチーフと呼ばスケールのものづくりに生かす方向の研究も行われれる小さな構造単位をつくり，これの自己集合によりており， DNA タイル，DNA オリガミなど新しいナ

構造を組み立てる方法，もうひとつは DNA オリガミノ構造の構築技術が次々に開発されている（DNA ナと呼ばれる，一本の長い一本鎖 DNA を，多数の短いノ構造）．さらにここ数年，DNA 計算デバイスと DNA

一本鎖 DNA により折り畳む方法である．特に，後者

ナノ構造を組み合わせて分子サイズのロボットをつの方法では，平面形状だけでなく，複雑な 3 次元形状

くる研究が進んでおり，DNA を素材として設計可能を作る方法が相次いで開発されている．DNA ナノテ

な分子システムの複雑性（システムの含む塩基数）は，クノロジーは，ある意味で，ものづくりの方法論の革ムーアの法則に従って指数的に増大している．これら命であるといってよい．つまり，これまで望みの形を

1

化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

第 27 回研究会 若手企画特集

オンチップロボティクスによる高速・高精度細胞操作
佐久間臣耶*1, 金子真 1, 新井史人 2
1 大阪大学大学院工学研究科, 2 名古屋大学大学院工学研究科

1. はじめにることは難しかった．

マイクロ/ナノ技術の発展とともに，単一細胞レベ

そこで我々は，環境制御性の高いマイクロ流体チ

ルでの操作・解析が可能となってきており，細胞・ップに，高精度・高出力操作が可能なロボット技術

組織・微生物の外部刺激に対する，様々な応答解析を適応することで，細胞・組織・微生物の操作・解析に注目が集まっている[1-3]．従来の細胞・組織・微することを目的とする，オンチップロボティクスを生物の操作は，シャーレ等の開空間において，ロボ提案してきた(図 1)[5-7]．オンチップロボティクスのット技術による高精度・高出力・多自由度作業を特アプローチとしては，大きく以下の 3 つに分類され徴とする機械式マニピュレータを用いて行われている．

たが，その作業の多くは人の手によるものであり，(i) 一次的構造化環境再現性の向上，技術の習熟などの課題や，流体中に細胞操作・解析にあたって，直接的に作用する構成

生じる乱流や，熱による流体移動，振動や，コンタ要素の設計・開発．

ミネーションなどの諸要因により，単一細胞レベル例) 細胞搬送系としてのマイクロ流路，オンチップの操作は困難であった．そこで，これらの問題を解

ロボット，オンチップセンサー．

決するために，マイクロフルイディクスを適応した(ii) 副次的構造化環境

マイクロ流体チップによるバイオ操作が提案されて一次的構造化環境を達成するために，副次的に必要いる[4]．マイクロ流体チップによる細胞の操作・解となる構成要素の設計・開発．

析は，流体力やチップ内に配置された電極などによ例) 顕微鏡，CCD カメラ，チップマウントステージ，って行なわれ，細胞の搬送・選別・分離などに応用

流体制御用ポンプ，オンチップロボット・センサー

されている．これらの操作は，マイクロ/ナノスケー

制御モジュール．

ルで特徴的な，安定した低レイノルズ数環境の環境(iii) 非構造化環境

制御性の高さから，極めてハイスループットな細胞

細胞操作・解析を行う上で，構造化されない不確定

操作・解析を実現してきた．しかしこれらの操作は，要素を含む構成要素の設計・開発．または，不確定

例えば単一細胞の機械的特徴量計測のような，細胞要素に対応するための設計・開発．

を機械的に操作することが求められる操作に適応す例) ヒューマンマシンインターフェース，ユーザビ

Figure 1. Outline of on-chip robotics

3

化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

1 分子レベルでの生体分子解析
内藤豊裕*1, 矢崎啓寿 2, 水谷真夕 2, 馬場嘉信 2，大塚浩二 1
1 京都大学大学院工学研究科, 2 名古屋大学大学院工学研究科

1. はじめにや島津製作所社から装置が販売されており，とくに生体分子および細胞の特異的な現象の解明，病気

島津製作所社から販売されている MultiNA は必要なの診断法や予防法の開発のためには，膨大なバイオ試料をセットするだけで 108 サンプルまで自動分析情報を獲得することが重要である。名古屋大学馬場することができる。しかし，これらの分析法は，分

研究室では，開発したナノ構造体やナノ材料とマイ離時間は数分だが，支持体として使用されるポリマ

クロ・ナノ空間の観察法によって様々なバイオ情報

ー溶液の調製や充填に数時間を要するという問題がを得ることを目指している。本稿では，生体分子解あった。

析におけるマイクロ・ナノ空間を利用することの利

この問題を解決するために考えられたのが，微細点と，特異的な現象やそこに至るまでの過程を観察

加工技術によって支持体そのものを作製するというする顕微鏡技術について紹介する。特に，マイクロものである。マイクロ・ナノ構造体を支持体とした空間の観察に問題を抱えている読者や，これから新チップ電気泳動では，高電場の印加，分析時間の大しい現象を観察しようとしている読者の参考になれ

幅な短縮に加え，支持体のポアサイズの精密制御がばと思う。

可能になる。支持体として使われてきたゲルやポリ
マーのポアサイズは微視的には数 nm から µm のサ

2. ゲル電気泳動からチップ電気泳動へ

イズ分布を持っており，その不均一性のため分離性

分子生物学，生化学，医療分野において生体分子の能，繰り返し精度，再現性の改善に限界があるが，分離・同定するため，電気泳動法による核酸やタン

微細加工技術によって均一なポアサイズを有する支

パク質の分離分析は重要な手段として用いられてい持体を作製することができる。この結果，高分離度る。電気泳動は，溶液中の荷電物質が電場中においを維持したまま，高速に生体分子解析ができるようて，正（または負）の電極方向へ一定速度で移動すになっている。

る現象のことで，その移動方向や速度の差を利用して生体試料の分離が可能になる。移動速度は電荷密

3. マイクロ・ナノ空間を利用した生体分子解析

度の違いによって決まるが，溶液の代わりに支持体

当研究室では，石英ガラス上に数百 nm の直径の円を用いることで，核酸などの電荷密度が同じ試料で

柱構造体（ナノピラー）を流路内に配列したナノピも，その分子の形状や大きさの違いによって分離す

ラーチップを用いて，DNA やタンパク質の分離を行ることができる。これは支持体に用いられるゲルやってきた。DNA の分離分析では，配列の間隔（数百ポリマーが網目構造を形成しており，生体試料の網nm）の最適化によって，長鎖 DNA の高速分離（7〜目構造の通りやすさによって移動速度が変わるため

200 秒）を達成している。また，円柱構造体の 2 つのである。網目構造の大きさ（ポアサイズ）は支持体

配列パターンの分離を比較したところ分離メカニズの種類や濃度によって異なり，様々な試料に対してムが違うことが明らかになった[1]。比較した配列パ適用可能である。電気泳動による分離では，印加電

ターンは，泳動方向の上流の列と次の列が間隙を埋場が高いほど分離能が向上するが，電場印加によっめるように互い違いに配列してある tilted 型と，全てて発生するジュール熱が分離へ悪影響を及ぼすため，の列が平行に並ぶ square 型である。Tilted 型ではサ

電場印加時の放熱が課題となってくる。

イズの小さい DNA から順に速く泳動するが，square

キャピラリー電気泳動やチップ電気泳動では，分型において泳動速度の順序が逆転する現象が確認さ離場を小さくすることで放熱効率を上げ，高電場のれた。泳動中の 1DNA 分子の挙動を観察すると，tilted

印加を可能にしている。分離場のマイクロ化により，型では DNA がナノピラーに引っかかりながら泳動

熱容量（体積に比例する）に対する，放熱面積（表面したが，square 型では長い DNA がナノピラー領域で積に比例する）の割合が大きくなるためである。キ

直進するのに対して，短い DNA が領域内部でも動ャピラリーDNA シーケンサーはヒトゲノム解析にき回ることが観察された。泳動順序の逆転現象は，大きく貢献し，マイクロチップ電気泳動も Agilent 社

square 型ナノピラー領域では分子拡散がより強く影

7

化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

電気化学と微細加工によるソフトウエットデバイスの開発
吉野修平*1,小川雄大 1 ,三宅丈雄 1,2,西澤松彦 1,2
1 東北大学大学院工学研究科, 2JST-CREST

1. はじめに
健康・病態・行動情報を常時モニタリングする生体計測デバイスやそのネットワークの開発が，高齢者の通院負担や医療コストの軽減に向けて急務となっている．そして，超小型センサ端末を違和感なく安全に生体搭載するために，生体親和性材料を駆使する「ウエット」なデバイス技術への期待も高まっている．
我々の生体組織や細胞と人工デバイスが接する界
面材料には，化学的に無害であることに加え，柔軟性，湿潤性や伸縮性等の物理的性質が要求される．

Fig.1 The Schematic illustration of biofuel cell

当研究室ではこの次世代の「ウエット」な電気的デ全な燃料から発電が可能である．また，酵素の基質

バイス実現に向けた研究を行っている．身体状況の特異性から，正負極を隔てる膜が不要であるため，計測・治療機能を備えたデバイスを，安全な電源，電極のみで構成できるシンプルな電池である．燃料

基板，配線，電極で構成するべく，当研究室ではグの安全性と，金属材料を使わない点から，体内でさルコースから発電する安全な「バイオ燃料電池」，ゲ

え駆動出来る，極めて安全な次世代の発電デバイス

ルを支持基板とする導電性高分子電極，通称「ゲルとして実用化が期待されている．

電極」を微細加工・電気化学的手法を用いて開発してきた．本稿ではこれら研究の基礎技術と背景につ2.2 酵素酵素とは，我々生物の中で働いている触媒である．

いて具体例を交えながら概説してゆく．

触媒の定義通り，酵素は反応の活性化エネルギーを
2.無害で安心な「バイオ燃料電池」

下げることで，生体内の化学反応を円滑に進めてい2.1 はじめにる．例えば消化酵素のペプシンは，胃液中でタンパ

バイオ燃料電池は，いわゆる通常の燃料電池の白

ク質を分解する酵素である．ペプシンは体温のもと，

金触媒を酵素に置き換えたものである．典型的な燃肉の消化を 2-3 時間で済ませてしまう．同量の肉を料電池は炭素電極に支持された白金が水素を酸化，人為的に分解するには，高濃度，沸騰下の塩酸中でそして酸素を還元することで電力を生み出している

24 時間必要である．実際多くの酵素の処理速度は，が，バイオ燃料電池は触媒として酸化還元酵素を用

基質の拡散が律速段階であるほどに速い．また，基い，その酵素が酸化還元できる基質(燃料)を用いて質特異性という利点もある．例えばグルコース酸化

発電する．

酵素(Glucose Oxidase, GOD)は正確にグルコースのみ

Fig.1 にその模式図を示す．負極では酵素が酸化反応を触媒し電子とプロトンが放出される．一方，正を酸化できるポケットを内部に有し，他の物質を酸化することはまずない．

極では流れこんできた電子とプロトンにより，酸素酵素の内，電子のやりとりが出来る(酸化還元反応の還元反応(水の生成反応)が酵素によって行われる．

を行う)酵素がバイオ燃料電池に用いられる．燃料をこの電子とプロトンの流れが最終的に電気エネルギ

酸化する電極には種々の酸化酵素(Oxidase)や脱水素ーを発生させる(Fig.1).

酵素(Dehydrogenase)が適しており，グルコースやフ典型的なバイオ電池では負極にグルコース酸化酵

ルクトース，アルコールやアルデヒドを酸化，脱水素，負極には酸素を還元できるビリルビンオキシダ

素できる酵素が市販されている．電子とプロトンをーゼが用いられ，グルコースと酸素という極めて安

使って酸素を還元する酵素は，ラッカーゼ(Laccase,11

化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

マイクロ流体技術のタンパク質化学への応用
真栄城 正寿九州大学大学院 総合理工学府
1. はじめに較して高い加水分解効率を示しました。そこで、固今回の若手企画の趣旨にもあるように、ケミナス

定化マイクリアクタを用いたチトクロム C およびは分野横断領域研究が主であり、様々なバックグラ

BSA に対するタンパク質消化反応を行い、同様に短ウンドをお持ちの研究者の方々が参加されています。

時間かつ高効率で消化反応が進行することを確認し私自身も学部 4 年生時には化学工学を専攻していたました。また、固定化マイクリアクタによる消化反こともあり、“反応器”としての観点から研究を行っ

応は高濃度の変性剤存在下でも観測することができていました。その後、修士課程で九州大学に進学し、ました。さらに、２種のプロテアーゼをそれぞれ固

研修先の産業技術総合研究所で今回のテーマである

定化したリアクターを接続することで多段階反応も“タンパク質”を扱いはじめました。そして、M1 の可能です[6,7]。他にも、タンパク質中のジスルフィ

時に第 20 回ケミナスに初参加し、幅広い研究分野のド結合の迅速な解析にも応用しています[8]。以上の発表を目の当たりにして大変刺激を受けました。今ことから、本方法は構造未知のタンパク質の同定に回は、我々の研究室の中から“マイクロ化学”と“タ有用であると期待されます。

ンパク質化学”に関連したテーマの一部についてご3. タンパク質結晶化への応用

紹介したいと思います。

3.1 タンパク質の結晶化とは2. 酵素反応への応用

次に、マイクロ流体技術のタンパク質結晶化へのマイクロ化学技術を酵素反応に応用した研究は数応用に関して紹介したいと思います。タンパク質の多く報告されていますが、今回はその中からプロテ結晶化と結晶を用いた立体構造解析は、その機能にアーゼを固定化したマイクロリアクタについて紹介

関する生化学的情報を与えるため、学術分野だけでしたいと思います。プロテオミクス解析において、はなく創薬などの産業分野においても重要なテーマ

プロテアーゼ（タンパク質加水分解酵素）によるタです。立体構造解析の主な手法は、タンパク質の単

ンパク質の加水分解は重要な過程です。一般的な酵結晶を用いた X 線結晶構造解析であり、Protein Data

素溶液中での消化反応は長時間を要すること、またBank に登録されている立体構造の約 80%が本手法

自己消化物の混入等で同定率の低下が問題となりまによって決定されています。一般的にタンパク質のす。プロテアーゼ固定化マイクロリアクタは酵素を

結晶は、タンパク質溶液に沈殿剤（無機塩類、有機

高濃度で支持体に固定化するため、反応が迅速であ

溶媒、PEG などの高分子化合物）を加えて、溶液をり、また自己消化物の混入も低く、分析感度は高い

過飽和状態にすることで得ることができます。しかと考えられます。酵素の支持体への架橋は、これましながら、それぞれのタンパク質によって最適な結でに様々な方法が報告されています[1-3]。我々は、晶化条件が大きく異なるために、膨大な数の結晶化

酵素分子表面のアミノ基をグルタルアルデヒドとパ条件のスクリーニング（①タンパク質濃度、②沈殿

ラホルムアルデヒドを用いて分子間架橋し、膜状に剤の種類・濃度、③緩衝液の種類・濃度・pH、④添形成させて固定化する技術を用いて、酵素固定化マ

加剤、⑤温度、⑥結晶化方法、⑦・・・）が必要です。

イクロリアクタの作製を行いました[4]。さらに、こまた、それに伴って消費サンプル量、労力、時間のの固定化技術の汎用性を高めるため、アミノ基を表増加が課題となっています。特に、結晶化が望まれ面にほとんどもたない酸性の酵素とポリリジンとのているタンパク質サンプルは貴重であるため、消費複合体を形成し、ポリリジンのアミノ基を介して凝サンプル量の低減は強く望まれています。これらの集体を形成しマイクロリアクタ表面に酵素を固定化

理由から、現状ではタンパク質の立体構造解析におする技術の開発も行っています[5]。この固定化技術

いて結晶化の過程がボトルネックとなっています。

を用いたプロテアーゼ固定化マイクロリアクタは、

これらの課題を解決する手段の 1 つとして、マイク

合成基質を用いた速度論解析の結果、溶液反応と比ロ流体技術を用いたタンパク質結晶化条件のスクリ19

化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

ガラスでチップを作ってみたけど何か質問ある？
山下忠紘, 福山真央, 白井健太郎
東京大学大学院工学系研究1. はじめに第 27 回化学とマイクロ・ナノシステム研究会-若手研究者による技術チュートリアルにおいて、我々
東京大学大学院工学系研究科の三人は、北森研究室、
火原研究室で用いられているガラス製マイクロ化学
チップを用いる流体操作の基礎技術について報告させて頂いた。この際、研究を始めたばかりの学部四年生から熟練の研究員まで、様々な参加者の方々が足を運んで下さり、素朴な疑問を頂きながら気さく

Fig. 1. An illustration of wet-etching process.

にディスカッションを行うことができた。当日頂いウェットエッチング法の簡単な手順を Fig. 1 に示す。

た質問も含めて、その内容を本稿で簡単に紹介させ金・クロム薄膜を蒸着したガラス基板にフォトレジて頂く。

スト (OFPR-800)を塗布し、紫外光を露光する。その後、現像液(NMD-3)を用いて現像する。そして、フッ2. ガラス製マイクロ化学チップ

化水素酸 (49%) 中でガラスエッチングを行う。最後

ガラスは光の透過性、耐薬品性、物理的強度に優に、レジスト・金・クロムを除去することで、マイクれ、古くから化学実験器具に最もよく用いられてきロパターンがエッチングされたガラス基板が得られた素材である。今日、ポリジメチルシロキサン

る。

(PDMS)がマイクロ流体デバイスの素材として盛ん

本手法で作製できるパターンサイズは、深さ方向に利用されているが、PDMS 製デバイスと比較したは 10 nm – 100 μm 程度、幅方向は 1μm 以上である。

とき、ガラス製マイクロ化学チップは、超高圧(数エッチング速度は、フッ化水素(49%)で 6 μm/min 程MPa)による圧力流体操作が可能、有機溶媒の使用が度、バッファーフッ酸（フッ化水素酸とフッ化アン

可能、安定かつ均一な表面修飾が可能、繰り返し利モニウムの混合溶液）で 60 nm/min 程度である。本用が可能、など特有のメリットを持つ。以下、これ手法ではガラスは等方的にエッチングされるため、らの特性をどのように利用するかという点に着目しかまぼこ型の断面図になる。

ながら、ガラス製マイクロ化学チップにまつわる基
礎技術と応用例について紹介していく。

本手法の利点としては試薬・設備が安価であること、操作の所要時間が短い (数時間) であることが挙げられる。一方で、フッ化水素酸を用いるため、

3. ガラス製マイクロ化学チップの作製方法

非常に危険を伴うため、操作プロセスの安全性の向ガラス製マイクロ化学チップの作製にあたり、まずガラス基板上にエッチングプロセスを用いてマイ上については十分に留意する必要がある。
【加工方法 2: ドライエッチング法】

クロ流路を加工する必要がある。一般的なガラス表

ドライエッチング法は、反応性ガスを用いて材面のマイクロ加工方法にはウェットエッチング法と料をエッチングする方法である。ガラスのエッチン

ドライエッチング法の二種類があり、それぞれ加工

グでは CHF3、C3F8、SF6 などのフッ素系ガスをプラ

後の断面形状、加工可能な深さのスケールが異なる

ズマ化し、活性種（イオンやラジカル）を発生させため、目的に応じてこれらを使い分ける必要がある。

てエッチングする。非晶質であるガラスは、シリコ【加工方法 1: ウェットエッチング法】

ンのように薬液を用いた結晶異方性エッチングによウェットエッチング法とは、フッ化水素などの試る異方性の形状加工ができないが、ドライエッチン

薬を用い、水溶液中でガラス基板をエッチングする

グ法を用いるとプラズマ中の電界によって加速され手法である。フッ化水素によるエッチングでは、式た活性種が基板に対して垂直に衝突するため、異方

1 のような化学反応によりガラスが溶解する。

性の高いエッチングが可能である。この特長を利用

SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O

23

(式 1)

し、電子線リソグラフィーによるパターン形成を組化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

平成 24 年度ケミナス奨励賞

超高感度検出法の開発とマイクロ・拡張ナノ化学への展開
馬渡和真

東京大学大学院工学系研究科
この度は平成 25 年度の奨励賞を受賞させていただ
き大変光栄に思っております。今後もこの賞に恥じないように、マイクロ・ナノ化学分野の先進的な研究を推進して行きたいと思います。また、本受賞にあたり、
これまでご指導いただきました東京大学澤田嗣郎先生・北森武彦先生、ならびに澤田研究室・北森研究室
ご関係の皆様、（財）神奈川科学技術アカデミーの皆様、さらには 5 年間お世話になりました旭化成株式会社研究開発本部の皆様に厚く御礼申し上げたいと思います。
もともと私がマイクロチップを始めたのは、1996 年に東京大学工学部応用化学科の澤田研究室に配属されたのがきっかけでした。物理や数学が好きで化学は計・製作しました。その結果、はじめて単一分子レベ

あまり好きではなかったのですが、敢えて化学の学科

ルの定量を可能にしました。ナノ粒子であれば、一個に進み、「極限」や「量子」をキーワードとしており、ずつ数えることも可能になりました。光る分子の単一

比較的物理との接点がありそうな分析化学の研究室

分子検出が Science や Nature に発表されていく中、非である澤田研究室を選びました。研究室では北森先生

常にわくわくしながら研究をしていたのを覚えていがすでにマイクロチップの研究に着手されていまします。また学生時代に自分で考えものづくりをして装た。今思えばものすごく先進的だったと思います。ま置を仕上げたことは大きな自信になりました。

た、その微小空間の超高感度・汎用検出器として「熱このまま博士で研究を継続することも考えたので

レンズ顕微鏡」が開発されており、私はこのテーマをすが、現在と比べて博士に対する金銭的補助は不十分与えていただきました。光らない分子を一分子で測るであったこと、また理系である以上製造業の現場を知という「極限計測」に学士課程・修士課程で取り組ん

りたいという思いもあって、1998 年に旭化成株式会社

できました。研究室でプロジェクトが当たった時期とに就職しました。当初は本当の分析の仕事がしたいと重なったこともあり、学生ながらいろいろと光学部品

思い、配属希望は「解析センター」に出しました。もを購入させていただき、幾何光学や波動光学を一からともと希望通りに配属される予定だった（らしい）の勉強しながらではありましたが、専用の光学系を設ですが、ちょうど研究開発本部で「樹脂製マイクロチップを用いた生化学医療診断システムの開発」プロジ
ェクトが始まる時期であり、入社前の人事異動でそちらに配属になりました。私のテーマは何の縁（？）か「熱レンズ顕微鏡の小型実用化」でした。テーマ全体
としては、試薬をすべて封じ込めた樹脂製チップ（allin-one）
・圧力送液・熱レンズ検出という組み合わせで、これらをシステム化した血液生化学診断装置の実用化でした。5-6 年前に確立された電気泳動・蛍光検出という方法のシステム実用化がようやく可能になるかならないかという状況下、方法としても未だ開発中の技術のシステム実用化は非常に挑戦的なテーマでした。実際のプロジェクトでは、バイオ、樹脂加工、エレクトロニクスの研究者、さらには樹脂製造やエンジ
ニアリング部門の専門家が社内から集められ開発が図１

27

開発した熱レンズ顕微鏡１号機

進められました。特に現場のプラントや装置を設計し化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

研究会報告化学とマイクロ・ナノシステム学会 第 27 回研究会（仙台）西澤 松彦，梶 弘和
東北大学大学院工学研究科 バイオロボティクス専攻の紹介がなされ、その簡易遺伝子検査ツールとし事後総括
2013 年 5 月 23 日（木）、24 日（金）の 2 日間、ての可能性と開発課題を詳細に解説していただきました。

東北大学片平キャンパスさくらホールにおいて、化学とマイクロ・ナノシステム学会第 27 回研究会

2 日目は、午前中に 30 件のフラッシュプレゼン

（27th CHEMINAS）が開催されました。仙台でのテーション＆ポスター発表が行われ、その後、若手開催は 6 年前（第 15 回）以来の 2 度目となりま

優秀賞（3 件）の受賞講演として、新田英之先生（名す。前回の会場である青葉山キャンパスが、震災か

古屋大学理学研究科）による「極微小デバイス・ナ

らの復旧工事などで混雑しているため、今回は仙ノ操作システムによる生体分子極限計測」、永木愛台駅からのアクセスも良い、片平キャンパスでの一郎先生（京都大学工学研究科）による「有機リチ開催となりました。さくらホール 2 階の大会議室

ウム反応の高度制御に基づくフローマイクロ合成

で招待講演やフラッシュプレゼンテーションを行法の開発」、伊野浩介先生（東北大学環境科学研究

い、1 階のフロアをポスター発表に利用しました。

科）による「レドックスサイクリングによる高感招待講演 3 件、奨励賞受賞講演 1 件、若手優秀賞

度・網羅的電気化学チップデバイスの開発」の講演

受賞講演 3 件、ポスター発表 88 件、および 6 件のがなされました。そして昼食後に、Hongkai Wu 先

企業展示をいただき、のべ 157 名の参加者が集い生（The Hong Kong University of Science andました。

Technology ） よ り 、「 PDMS vs. Whole-Teflon

初日午前中には、「若手企画セッション：若手研Microfluidic Chips」と題して 3 件目の招待講演を究者による技術チュートリアル」が行われました。

いただきました。テフロン材料の微細加工技術と、若手の代表者 5 名が、細胞操作、生体分子解析、電テフロンの特性を生かしたマイクロ流体チップの気化学、マイクロ流体、微細加工について解説し、応用について解説していただきました。次に、29 件

その後のディスカッションを通して、要素技術をのフラッシュプレゼンテーション＆ポスター発表

関連付けて理解しようという新しい試みでした。

による活発な討論が行われました。その後のポス分野融合を特徴とする本会に相応しい企画であり、

ター賞アワードセレモニーでは、栗田僚二先生（産ベテランの先生方も興味をもって見守っておられ

業技術総合研究所）を審査委員長とする先生方の厳正な審査のもと、3 回のセッションから各 2 名ずました。
午後からは、開会の挨拶に続き、村田智先生（東つ計 6 名が選ばれ、丹羽会長から表彰されました。

北大学工学研究科）より、「DNA ナノテクノロジー

最後に、次回研究会の実行委員長である安川智之

から分子ロボティクスへ」という演題で 1 件目の先生（兵庫県立大学）より開催案内のアナウンスを招待講演をいただきました。DNA のプログラム性いただき、閉会となりました。

を活かすモノづくりの可能性と、さらに分子ロボティクスへの展開に渡るお話は皆の興味を大いに

ポスター賞受賞者

そそりました。次に、平成 25 年度 CHEMINAS 奨

1P03「マイクロカラムを有するマイクロ流体チッ

励賞の受賞記念講演として、馬渡和真先生（東京大プを用いたウイルス核酸抽出」

学工学研究科）より、「超高感度検出法の開発とマ

新美京，益田泰輔，開發邦宏，加藤修雄，中村昇

イクロ・拡張ナノ化学への展開」というタイトルで、太，中屋隆明，新井史人（名古屋大学大学院工学

これまでのご研究の経緯と今後の展望をお話しい研究科，大阪大学産業科学研究所，大阪大学微生

ただきました。その後、29 件のフラッシュプレゼ
ンテーション＆ポスター発表による活発な討論を

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物病研究所，京都府立医科大学）
1P22「超高密度電極デバイスを用いた局所レドッ

挟んで、川瀬三雄先生（東北大学医工学研究科）よクスサイクルによるバイオイメージング」

り、「STH 法を活用した簡易・迅速遺伝子検査ツー

菅野佑介，伊野浩介，珠玖仁，末永智一（東北大

ルの開発」と題する招待講演をいただきました。イ

学大学院環境科研究科，東北大 WPI-AIMR）

ムノクロマト法の DNA 版として、シングルタグの2P06「試薬放出キャピラリーと試薬含有ハイドロ

ハイブリダイゼーションを基本反応とする STH 法

ゲルを組み合わせた糖質分解酵素活性の簡便・化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

高感度アッセイデバイスの開発」
安倉直希、末吉健志、遠藤達郎、久本秀明（大阪府立大学大学院工学研究科）
2P08「細胞遊走関連遺伝子スクリーニングのため懇親会・若手交流会
懇親会には 56 名の先生方にご参加いただきました。また、並行して行われた若手交流会には、39 名が集いました。焼き笹かまぼこや東北大酒「萩丸」、のマイクロデバイス」

そして伊達武将隊による乱入パフォーマンスが大榎本詢子，長崎玲子，藤田聡史，福田淳二（横浜

いに場を盛り上げました。研究者の交流の場とし

国立大学大学院工学府，産業技術総合研究所）て和気あいあいとした有意義な機会となりました。

3P20「ハイドロゲル製マイクロ流路を利用した管腔組織作製の試み」

最後に、今回の研究会開催にあたり、多忙なスケ

岩瀬優輝，山田真澄，関実（千葉大学大学院工学

ジュールの中ご講演下さった先生方に深く感謝申研究科）し上げます。また、CHEMINAS 理事会ならびに事

3P21「多角度共焦点観察のための磁場による単一

務局の方々には多くのご支援を賜りました。この接着細胞ハンドリング技術の構築」

場を借りて厚く御礼申し上げます。そして、研究会

手島哲彦，尾上弘晃，青沼宏佳，嘉糠洋陸，竹内の実施に快く協力してくれた東北大バイオロボテ

昌治（東京大学生産技術研究所，東京慈恵会医科ィクス専攻バイオマイクロマシン工学講座のスタ

大学）

ッフと学生諸君にも感謝申し上げます。
化学とマイクロ・ナノシステム学会の益々のご発展を祈念いたします。

講演会場

ポスター会場

懇親会-1

懇親会-2

化学とマイクロ・ナノシステム 第 12 巻 第 2 号 2013 年 10 月

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化学とマイクロ・ナノシステム学会 第 27 回研究会 若手企画
佐久間臣耶 1, 白井健太郎 2, 内藤豊裕 3, 福山真央 2, 真栄城正寿 4, 山下忠紘 2, 吉野修平 5, 川井隆之 6, 7
1 大阪大学, 2 東京大学, 3 京都大学, 4 九州大学, 5 東北大学, 6University of Illinois ,7 名古屋大学

1. 若手セッションの目的
第 24 回化学とマイクロ･ナノシステム研究会の理事(a)会において, 若手研究者の積極的な学会運営参加を支援する新企画が決定された．若手セッションにの主な目的は以下の 4 つである．(1) 若手研究者の視点から自由に新企画を打ち出し, 学会の活性化に貢献．(2) 若
手研究者が自由に活躍できる場を用意し, 積極的な人材へと育成. (3) 学会の企画・運営の経験．(4) 若手研
究者同士の交流．第 27 回研究会においては，博士過程
学生を中心としたワーキンググループにより，
「若手研
(b)

究者による技術チュートリアル」が開催された．
2. 若手研究者による技術チュートリアル
化学とマイクロ･ナノシステム学会の最もユニークな特徴の 1 つとして，化学・生物学・微細加工・機械
工学・バイオ・ロボティクスなどの様々な分野の学際領域における技術交流が挙げられる．すなわち，化学とマイクロ･ナノシステム学会は，ある事柄に対して研究者それぞれが違った視点でディスカッションできる場であると言える．逆に言えば，様々な分野のベースバックすることを目的として，「若手研究者による技術

図 1 若手セッションの様子．(a)フラッシュプレゼ
ンテーションによる各セッションの概要説明，(b)若手研究者よる各ブースにおけるチュートリア
ル．

チュートリアル」を企画した．
「目からウロコのセッシ行われた．この若手研究者企画セッションは平成 25 年

ョン」を目指し，チュートリアルにおいては，以下の

5 月 23 日午前中に開催され, 非常に多くの参加者が訪

5 つのコンテンツで若手研究者による発表・討論が行れた．各ブースにおいては，専門分野の垣根を越えた

われた．セッション A： オンチップロボティクスによインタラクティブな議論が行われ，本研究会の活性化

る高速・高精度細胞操作，セッション B：１分子レベにも少なからず貢献できたと考えられる（図 1）．

となる技術を知る絶好の機会である．この学際領域における知見の交流を促進し，自身の研究へとフィード

ルでの生体分子解析，セッション C：電気化学と微細加工によるソフトウエットデバイスの開発，セッショ
ン D： マイクロ流体技術のタンパク質化学への応用，
セッション E：

ガラスでチップを作ってみたけど何か質問ある？

4. 謝辞
本企画の立案に際し, 様々なご意見・ご指導を賜りました，化学とマイクロ・ナノシステム学会第 27 回研究会実行委員長の東北大学

西澤松彦先生をはじめとして，理事会・実行委員会の先生方に厚く御礼申し上
3. 当日の様子げます。また企画遂行にあたり，多大なご援助を頂き

若手研究者による技術チュートリアルは，フラッシ

ました関係者の皆様へ厚く御礼申し上げます．

ュプレゼンテーションによる各セッションの概要説明，
および，各ブースにおけるチュートリアルの 2 段階で35

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