立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

遺伝子操作情報トレーシングのための細胞スケール埋込型磁気タグの研究
Investigation of Micro- magnetic Tag for Individual Discrimination
2171027

研究代表者

九州大学大学院

工学研究院

教授

山西陽子

的な自動認識技術としては，商品のバーコード[研 究 の 目 的］

技術，カードに用いられる磁気ストライプ技術，近年，遺伝子組換え技術が高いレベルに達しRFID 技術，二次元コードである QR (Quickている。一方で遺伝子操作した対象に対するトResponse) コードがあるが，現在の技術ではレーシング技術は，まだ発展途上にある。特に低コストかつ長時間安定的に使用できるタグのカエル等の小動物以下のサイズとなると，イオ実現は難しい。特に RFID 技術は急速に発展しン性溶液下で長時間保持できる IC タグが必要てきており，大量生産によって低価格化も進んな上，サイズが小さくなるほど高額なこともできているが，RFID は水滴の存在により識別あって普及が進んでいないのが現状である。現が難しくなる欠点も有する。そこで，本研究で在，番号情報等を直接マーキングすることで個は，安価な磁性体を用いたウェットな環境下で体識別を行っているが，ゲノム編集等の発展とも生体の個々の情報を長時間識別できる埋め込ともに識別個体数が激増し，さらに動き回る個み型微細磁気タグの開発を行い，そのタグに適体もあって，より効果的な多数・多品種識別・したセンサーである磁気光学 (MO) センサー

トレーシング技術が求められてきている。本研を用いてセンシングすることで環境技術やセン究ではこのような問題を解決するために安価でシング・トレーシング技術へ貢献することを目長期間安定な磁気トレーシングする技術につい標としている。て研究を行う。
[研究の内容，成果］

近年の大量生産・大量消費の時代では扱うべき個体数が格段に増えているため，個体認識が重要となっており，生体の識別や成長を光は電磁波であり，電磁波というのは電界と追跡する生体材料は急速に増加している。特磁場の振動が伝搬する現象である。光の進行方に，ウェットな環境下で自動で長時間生体を観向と磁場を含む面を偏光面と呼び，偏光面の方察・識別できることは重要である。自動認識向がそろっている場合を偏光と呼ぶ。物体に直(Automatic Identification) とは，「人間を介さ線偏光を入射し，物体に磁場をかけると磁場のず，ハード，ソフトを含む機器により自動的に強さとともに偏光面が回転する。この磁気旋光

バーコード，磁気カード，RFID (Radio Fre-効果をファラデー効果という。その時の旋光角

quency Identification) などのデータを読み込(ファラデー回転角) は磁場の小さいときは物み，内容を認識する」ことである。現在の代表

体の厚さ，磁場の強さ ヴェルデ定数と呼ばれ― 1 ―立石科学技術振興財団

る物質固有の定数 V に比例する。一般的に強してあげられる。これらを解決するためのセン磁性体はヴェルデ定数が大きくなる傾向がある

シング法や材料の変更が求められた。

ので旋光角も大きくなるが，磁化飽和するのでそこで個体識別用微小タグのコンセプト (図ファラデー回転角には限界がある。強磁性体の2) を考えた。本研究において情報のコード化

厚さが厚くなると光を透過しなくなるという難材料として用いる材料は磁性体である。磁性体点がある [1]。

を磁化することで外部に磁場を発し，その磁束

磁気光学 (MO) センサーはファラデー効果

密度をハンディ型の磁気光学 (MO) センサーを用いたセンサーで，図 1 にセンサー部分の構により読み取る。磁性体は図 1 のタグでは 9 区造を示す。磁気光学素子には単結晶磁性ガー画に配置可能で 1 区画につき磁性体の有/無をネットが用いられることが多い。偏光子を通し2 進数のように 1 bit の情報とすると 512 通りて偏光された光が磁気光学素子を通過することのナンバリングが可能となる。

で偏光面が回転する。旋光は鏡面層で反射し，次に図 3 に磁気光学センサーを用いたセンシ

再度磁気光学素子を通り先ほどと同じ方向に旋ング法の概要を示す。残留磁束は日数経過に光する。

よって減少するため従来の Ni 薄膜の残留磁束その旋光角はファラデー効果より磁場の大きをセンシングする方法(a) に加えて，センシンさに応じて変化する。その旋光をもう一枚の偏グ時に外部から磁場を印加することによって軟光子である検光子を通して CCD や CMOS な質磁性体(b) や反磁性体(c) を磁化させて外どの光学素子で観察することによってセンサー部磁場との磁束密度の差をセンシングする方法

面内の磁場強度分布を N 極部分は明るく，Sを新たに導入した。

極部分は暗くといったように光の強度の差とし(b) と (c) では磁化される方向が反対となて表すことが出来る。分解能が磁気光学素子のる為，得られる撮像の明暗が逆になると考えら

磁区大きさに依存し，磁気センサーの物理的なれる。

大きさに依存しないため高い空間分解能が得ら(b) と (c) の セ ン シ ン グ 法 で は (a) の センシング法に比べて磁気アシストによって着磁れる。
これまでの我々の研究では微細化へ向けてが不要なので時間経過による減磁の影響を考え

Ni 薄膜を用いた 1 cm 四方の個体識別用フレキシブルタグを作製し，テスラメーターによる長期間のセンシングに成功している。しかしながら，微細化には至っておらず 1 cm 四方である
こと，日数経過により磁束密度が減少してしまうこと，測定点ごとにセンサーを移動させる必要がある為煩雑で時間がかかることが問題点とFig. 2 Concept of micro-magnetic tag

Fig. 1Structure of MO sensor

Fig. 3 Concept of magnetic tag sensing using MO sensor― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

しオーブンを用いてベークした。
(2) SU-8 3050 をスピンコートしオーブンを用いてプリベークした。
(3)

マスクアライメント装置を用いて露光
しオーブンを用いて 95℃でポストエクスポージャーベークした。

(4) PGMEA を用いて現像することで凹地を作製した(5) 凹地に金属粉と PDMS を混合したものを流し込み，オーブンでベークした。
Fig. 4(6)

Four types of micro-magnetic tags

再度 PDMS をスピンコートしオーブンを用いて 90℃でベークした。

(7) 精密メスを用いてタグ部分を切り取るる必要が無くなる大きなメリットがある。
先行研究では Ni 薄膜を用いたタグ製作をしことで微小磁気タグを作製した。てきたが，Ni は軟質磁性体であり着磁しても初期センシング実験ではタグとの距離 D=0得られる残留磁化は他の硬質磁性体に比べて小um，タグ大きさ L=3 mm とした。また，図 6

さい。本研究で用いたタグ材料は図 4 に示す通に各タグのセンシング結果を示す。今回の実験

り，① 磁性体の部分に Ni をもちいた Ni タグ

では図 6 右上に示すような多極マグネットシー② 磁性体の部分が生体適合性のある樹脂のト (表面磁束密度 2 mT，磁極間隔 2 mm) をPDMS (ポリジメチルシロキサン) と磁性体粉外部磁場印加用磁石としてタグの下に敷いた。

末を混ぜ合わせた磁性体粉タグ③ 磁性体のNi タグの場合は外部磁場ありでもなしでもセ④ より強い反ンシング可能であった。またタグ厚さが厚い方磁性を持つ熱分解グラファイト (PGS) をエンが く っ き り と 陰 影 が あ ら わ れ た。磁 性 体 粉

ドミルで加工した PGS タグ，の計四つである。

(Fe) タグの場合は外部磁場なしの場合判別が強磁性のタグは自発磁化を持つので外部磁場をつきづらかったが，外部磁場ありの場合だとセかけてもかけなくても反磁性のタグは自発磁化ンシング可能であった。Ni も Fe も軟質磁性体を持たないので外部磁場が必要になる。また，であり着磁した際の残留磁束は飽和磁束に比べ

図 5 に以降の実験で用いた②のタグの作製プロてとても小さいため，着磁して残留磁束を測定

セスを以下に示す。

するのには向いていない。硬質磁性体に比べて部分が反磁性を持つ Au タグ(1)

ガラス基板上に PDMS をスピンコート

Fig. 5 Fabrication process of metal powder mixed PDMS tag― 3 ―Fig. 6

MO image of fabricated tags

立石科学技術振興財団

場合を比べると②のほうがセンシング距離が大きい。①はタグが発する磁束が D を大きくすると広がることでセンシングが困難となり，②のほうが距離による磁束の広がりが小さいことがわかる。またタグ情報区画の 1 つは一辺が 0.6 mm，厚さ 0.2 mm の正三角形であり，磁性体は長手方向に磁化すると飽和磁束が大きくなるので②のほうが着磁方向として適しFig. 7

Magnet arrangement for external magnetic fieldていることがわかる [2]。③では S 極同士を対向させることによってタグの磁化の方向が保磁力が小さいので外部磁場を印加した際に磁うまく定まらないためセンシング困難となっ化を変化させやすく応答性が良いといえる。

た。

Au タグ，熱分解グラファイトタグはタグ厚さ最適な外部磁場を印加した際のセンシングにかかわらずセンシング困難であった。これら可能距離を人の目ではなく定量的に決定するは各磁性体の磁化率のオーダーの違いによるもため，画像解析ソフトでタグ情報領域と周囲のである。磁化率の違いが磁気分極の大きさのとの輝度の差を測定し，その差が設定した値指標となるので，磁化率が大きく影響しているより小さくなればタグ認識困難となるようにことが分かる。なお，以降の実験では安定してする。タグの撮像は位置による輝度の違いを作成できる②の磁性体粉タグを用いた。

避けるため，マーカーを設置した。タグ情報

次に微小磁気タグを MO センサーを用いて領域の右側の暗い領域を Histogram の平均値センシングしていくための外部磁場印加方法ををとることによりグレースケール 256 諧調で数決定した。角型フェライト磁石を二つ用いて二値化する。同じ領域が選択されるよう，マクロつの磁石の配置を変えてセンシング実験を行っを用いて繰り返し 6 回計測した。また，図 8 にた。

示すように比較用にタグを置いてないときの① タグの上方下方に磁石を配置し N 極と S極を向かい合わせて置く② タグの左右に N撮像も用意し同じマクロを用いて輝度を数値化した。

③ タグの左図 10 に数値化した結果を示す。平均値・下右に S 極同士を向かい合わせて置く，の 3 種

限値というのはタグを置いてないときの撮像の類の配置を試した。タグの中心と磁石表面の距物である。結果をみるとセンサー距離 D=0〜離を dm とし，センサーとタグの距離を D と80 um の区間では輝度はほぼ一定であり，80して，D=0 um の時と厚さ約 160 um のガラス

um と 110 um の間で輝度は大きく上がり，そ極と S 極を向かい合わせて置く

基板を間に置いた時でセンシングした。タグ大きさ L=3 mm，タグ厚さ t=200 um，磁性体
粉は Fe(325 mesh, (株)ニラコ) を用いた。
①の場合はタグとの距離 D=0 um の時はセンシング可能であったが D=160 um のときはセンシング困難であった。②の場合はタグとの距 離 D=0,160 um の 時 は セ ン シ ン グ 可 能 であった。③の場合はタグとの距離 D=0,160 umのどちらもセンシング困難であった。①と②の― 4 ―Fig. 8 Result of magnet arrangement

Tateisi Science and Technology Foundation開発を行い，材料の選定を行った。その結果，反磁性体材料より磁性体材料を用いたタグが磁化率の観点よりセンシングに適していることがFig. 9 MO image for measuring maximum sensing distance分かった。素早くセンシングできるシステムとして磁気光学 (MO) を用いたセンサーを使用した。外部磁場の評価をした結果，タグの左右両側に N 極と S 極を対向させて配置すると磁化の強さ，磁束の広がり，方向の観点より適していることが分かった。画像解析ソフトを用いたセンシング可能距離は 200 um となった。今後，直流磁場とは異なったセンシング法が可能になりセンシング距離がのびる可能性がある交Fig. 10流磁場等の使用，およびファラデー回転角が大Sensing distance by image analysis software

きくなる磁気光学素子への変更でセンシング距
こから緩やかにタグがない時の撮像の輝度に近離の大きいセンシングシステムを構築するなどづいている。0〜80 um では MO センサーの表で生体に埋め込んだ際に導入した試薬の情報やせる輝度の最低値を示し，110 um 以上ではタ遺伝子コード等の数値的情報を搭載し，環境制グとの距離が離れるにつれて磁束が小さくなる御に貢献できると考えている。

ことを表している。特に 80〜110 um の区間では MO センサーで違いがわかる範囲内で急激[参考文献］に磁束が小さくなっていた。タグが無い場合の( 1 ) 佐藤勝昭，光と磁気，朝倉書店，pp. 5-12, 2001

輝度の最低値 (測定回数 20) より小さい輝度( 2 ) 小 林 久 理 眞，し た し む 磁 性，朝 倉 書 店，pp. 9,だとセンシング可能と考えると D=200 um ま1999

ではセンシング可能で D=250 um 以上ではセンシング困難となった。MO センサーはファラ[成果の発表・論文等］

デー効果によりセンサー面に対して垂直に入っ( 1 ) “Local Magnetization and Sensing of Flexibleてくる磁束に対して光の旋光角が大きく，センMagnetic Tag for Long-Term Monitoring under

サー面に対して平行な磁束の場合は旋光角が小さくなるので，センサー部がタグから離れることによりセンサー部での磁束密度が小さくなったことが原因として考えられる。

Wet Environment”, Y. Yamanishi, D. Matsumura, Y.
Fujiwara, T. Ohgawara and Y. Haramoto, Transducers 2017, Kaohsiung, Taiwan, (W2A. 001), p.
460-463.
( 2 ) “個体識別のための埋め込みタグの研究”，松村大輔，山西陽子，大河原孝，原本悦和，2017 年第78 回応用物理学会秋季学術講演会 (2017. 9. 5-8, 福[今後の研究の方向，課題］

岡国際会議場)，8p-PA2-17，9 月 8 日 (2017)．
( 3 ) “Investigation

本研究では生体を対象とする安価な磁性体を用いた磁気タグを開発し，そのタグが発信する情報を素早く読み取るシステムを確立することを目的として研究を行った。そのためにフォト

ofmicromagnetic

tagforindividual discrimination”, K. Oguma, Y. Yamanishi,
D. Matsumura, T. Sato, Y. Haramoto, T. Kawahara,バイオニクス研究センター実装学会，3 月 2 日，九大，pp. 25, (2018)( 4 ) “個体識別へ向けた微小磁気タグの研究”，松村
大 輔，佐 藤 匡，川 原 知 洋，原 本 悦 和，山 西 陽 子，リソグラフィ等の MEMS 技術を用いて各種磁ROBOMECH 2018 in Kitakyushu, (社)日本機械学会

性体を用いた生体埋め込み用の微小磁気タグのロ ボ メ カ 部 門，(2A1-L07)，北 九 州，6 月 5 日，

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立石科学技術振興財団(2018)．
」(5)
of(2018), vol. 27 (2), pp. 305-311. doi : 10. 1109/

K. Ichikawa, S. Maeda, Y. Yamanishi, Journal
Microelectromechanical

Systems(JMEMS),― 6 ―JMEMS. 2018. 2793314