蛍光分子を用いた液体の温度分布・厚さ分布の同時測定
東京理科大学 工学部 機械工学科
教授 元祐 昌廣（Masahiro Motosuke）

MotosukeM

2023.11.9微小空間における熱情報• 固体同士の接合面
微小隙間- 摩擦- 熱接触

• マイクロフロー合成・分析デバイス • 温熱療法（ハイパーサーミア）
吸発熱
PCR
詳細な熱マネージメント

細胞・組織周りの温度2従来技術の課題・問題点
方法

接触・非接触点・面

特徴

微小熱電対・抵抗体

接触点

微細加工が必要

走査型熱顕微鏡（SThM）
レーザ誘起蛍光法
（LIF）
本研究

接触

非接触

非接触点
（スキャン可）面面

表面のみ厚さ分布既知
が必要
温度と液厚さの同時測定が可能

3

何がわかるようになるのか

薄い液体層内部の温度分布

同時

厚さ分布
＜特徴＞

• 従来法では，液体層の厚さと温度がどちらかが既知でないと計測できないが，本手法では両者が未知でも計測可能• 厚さが変化する液体層の温度分布，非等温場での液体層厚さ分布の評価ができる
4新技術の特徴• 蛍光分子からの発光の「偏光成分」を利用
蛍光分子蛍光発光

励起光

直線偏光で励起されたある種の蛍光分子からの発光は液中での分子運動を反映した偏光解消を示す
偏光解消

直線偏光

- 温度感度を有する- 全発光強度で正規化

偏光異方性

I|| − I⊥

I|| + 2I⊥

= f(T)

異方性
全発光強度

偏光を使う強み
強度を使う他方法では不可

以下パラメータの影響をキャンセル可能
蛍光分子濃度- 液体層厚み- 照射光強度- クエンチ（消光）

5

123
45
67891011121314151617181920212223242526272829303132333435
3637383940
41424344454647

due to the polarity effect. As we go from MeOH to PeOH, the polarity dincrease in the alkyl group. When pyrromethene 597 is dissolved in the

新技術の特徴the solution, which behaves well with the temperature change, i.e.,

sensitivity. Taking this polarity limit into consideration, we can divide thcategories. One with positive temperature sensitivity (for EtOH and IPA
negative temperature sensitivity (for MeOH, BtOH, and PeOH). In therange, polarity of EtOH is higher than that of IPA, so EtOH has high tem

than分子種や修飾，溶媒との組み合IPA. In the negative temperature sensitivity, MeOH has higher pola

PeOH.
So, MeOH shows highest temperature sensitivity in the negati
わせによって温度依存性は様々

MeOH is lower than EtOH and IPA, is still a matter of concern. Furth
required to study the exact mechanism.

Fluorescence Anisotropy (-)• 蛍光異方性の温度依存性(from MeOH to PeOH) to make a solution, then maybe there is an over

0.20
0.18

Pentanol
Butanol
IPA
EtOH
MeOH

0.16
0.14

0.02
0.00
298
25

303
3035308

313
4045318

Temperature (K)50323Fig. 5. Fluorescence anisotropy of pyrromethene 597 solution in M
butanol, and pentanol.
x10-3eraturer/dTl)

2.0
使用する溶媒に応じて適切な分子プローブを選択
1.8
1.6
1.46

実験装置
• 市販の蛍光顕微鏡に偏光子を入れるだけで実装可能
試料

励起光側とカメラ側の対物レンズ

光学系に偏光子を設置

偏光子

蛍光の偏光成分を抽出

フィルター
ブロック
照明

カメラ

- 正立・倒立不問- 切り替え機構不問-（直交・回転）偏光カメラ使用可

偏光子7

液膜厚さ測定• 蛍光強度が厚さの関数となることを利用

蛍光強度 [a.u.]

蛍光強度

液体層厚さ

厚

薄
液層厚さ [μm]

発泡ゴム細孔分布の直接評価
8

新技術の特徴・他との比較• 液体層厚みの影響
蛍光輝度

蛍光異方性

蛍光輝度

蛍光異方性

50 µm

40 µm 20 µm• 蛍光分子濃度の影響
0.05 mM

0.1 mM
0.05 mM0.1 mM
50 µm

9

新技術の特徴・他との比較• クエンチ（消光）の影響
蛍光強度

I||Anisotropy. a.u.

0

蛍光異方性

Intensity. a.u.

蛍光異方性I⊥

2004000100200
Time [s]30040050 µm

Time [s]蛍光色素の劣化の影響もキャンセル可能10温度と液層厚さの同時測定
蛍光強度Iは液層厚さdと温度Tの両方の影響を受けて変化

I = g(d, T )蛍光偏光解析

温度 T の取得＊厚さの影響を受けない温度Tの情報を用いた補正を施して厚さ d を抽出

I = g(d, T )T
d = g −1(I)
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事例紹介

レーザー

Temperature [ºC]

• 光刺激下での水溶液温度分布の可視化

50403020

他温度プローブでは取得不可能

レーザー光照射（集光径 10μm）

光吸収による局所発熱
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事例紹介
• 温度分布を持つ凹凸液層からの分離解析

温度分布

厚さ分布

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事例紹介
• ウェアラブルセンサーの熱マネージメント

14想定される用途• マイクロ熱交換器内部の温度分布評価• バイオチップ（PCRなど）の熱管理• フレキシブルデバイスの液体層厚さ変化の計測• 固体接合面の液体厚さ分布の評価

15実用化に向けた課題• 現時点で，測定装置，解析アルゴリズムは開発済みで，各種装置定数や校正曲線の取得方法の一般化も完了しているが，全て手動で自動化ができていない．

• 測定前に必要な手続きを自動化させることで，ユーザーが使用しやすい測定システムの開発が可能．

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企業への期待• 顕微鏡に搭載するアタッチメントと解析アルゴリズムをセットで実用化できると考えている．

• 装置メーカーと共同研究によって装置を実用化できる可能性が高い．

• 測定環境や材料に対して特定のニーズを持った化学材料メーカーなどは，一般的な製品化よりも，共同研究の下でOEM装置の開発を行う方が良い場合もあると思われる．
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：測定システム及びプログラム• 出願番号 ：特願2023-078033• 出願人：東京理科大学• 発明者：元祐 昌廣18

お問い合わせ先
東京理科大学
産学連携機構TEL 03-5228-7440
FAX 03-5228-7442
E-mail ura@admin.tus.ac.jp
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