2023 年 7 ⽉ 21 ⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学
国⽴⼤学法⼈北海道⼤学

空中超⾳波で液滴をジャンプさせるマイクロ流体操作基盤を開発
撥⽔メッシュ上に置いた液滴に対して、超⾳波を集束させて位置を制御することで、液滴の動きやジャンプを制御するマイクロ流体操作基盤を開発しました。この基盤上では、複数の液滴の並列操作、合体、分割などの基本的な操作が可能であり、また化学や⽣物学等の実験への応⽤の可能性が⽰されました。

科学実験の⾃動化・⾼速化において、ピコリットル〜マイクロリットル程度の少量の液体（液滴）を並列的に扱う必要が⽣じる場合があります。また、液滴を空間的に離れた基盤装置・容器へ移動させる際には、液滴をジャンプさせる必要がありますが、平⾯上で液滴を操作するデジタルマイクロ流体技
術では、最⼤で 5 mm 程度の⾼さに限られていました。
本研究では、超⾳波の遠隔⼒（⾳響放射⼒）を利⽤して液滴を操作する新たなマイクロ流体基盤を開発しました。撥⽔加⼯を施したメッシュを⽤いると、⾳波を透過させつつ、液滴を⽀えることができ、空中でも⾳圧が⾼いところに液滴が引き寄せられる性質があることを⾒いだし、超⾳波ビームによってメッシュ上の液滴の操作が可能になりました。
これにより、液滴のジャンプの⾼さは最⾼で 128 mm にまで達します。ジャンプする⽅向も制御できるため、液滴を隣の装置や別の段に移動させることも可能だと考えられます。また、デジタルマイク
ロ流体基盤に必要な基本的な機能として、複数の液滴の⽔平移動、合体、分割を実現しました。さらに、科学実験への適⽤例として、この基盤上で鈴⽊・宮浦クロスカップリング反応を実施するとともに、⽣物実験にも適していることを⽰しました。
本研究成果により、⽴体ディスプレイや実験⾃動システムなどの開発が期待されます。

研究代表者
筑波⼤学図書館情報メディア系
伏⾒ ⿓樹 助教
北海道⼤学創成研究機構化学反応創成研究拠点（WPI-ICReDD）
⻑⽥ 裕也 特任准教授

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研究の背景科学研究において、⽣産性や実験データの品質を向上させるために、研究や実験、分析を⾃動化する取り組みが⾏われています。特に⽣物学、薬学、化学、材料科学などでは、⾃動化により⼤量のデータを迅速に取得・解析することで、新たな発⾒や物質の開発が加速すると考えられています。⾃動化において実験や分析を⾼速化するには、ごく少量の試料を並列的に扱う仕組みが重要です。その中でも、ピコリット
ル〜マイクロリットル程度の液体を操作する技術はマイクロ流体操作と呼ばれます。また、マイクロ流体操作において、平⾯上で液滴を駆動するデジタルマイクロ流体技術注 1）では、エレクトロウェッティングという電気的に濡れを制御する技術が⽤いられてきましたが、平⾯上の操作だけでは、液滴を空間的に離れた基盤・装置・容器へ移動させることが困難であることから、近年のデジタルマイクロ流体技術では、液滴を基盤からジャンプさせることが求められています。しかしながら、エレクトロウェッティングでは、液滴のジャンプ⾼さは液滴の変形による弾性に依存するため、最⼤で 5 mm 程度が限界となっていました（Langmuir、2014）。⼀⽅で、デジタルマイクロ流体技術の新たな⼿法として、焦電効果や光起電⼒効果による表⾯電荷密度の制御技術が登場しています。これらの⼿法は液滴の変形を必要とせず、それぞれ 16 mm、50 mm 程度のジャンプが可能となっています（ACS Applied Materials & Interfaces、2021）。
このように、液滴の弾性に依存せずに、より強⼒に液滴を操作できる⼿法の開発が進められています。
研究内容と成果
本研究では、超⾳波の遠隔⼒（⾳響放射⼒注 2））を利⽤して液滴を操作する新たなマイクロ流体基盤を開発しました。研究の鍵となったのは、撥⽔メッシュです。これは市販のステンレスメッシュに撥⽔加⼯を施したもので、⾳波を透過させる⼀⽅で、液滴を漏れ落ちることなく⽀えることが可能です。これにより、超⾳波フェーズドアレイ注 3）によって動的に集束超⾳波ビームを⽣成し、メッシュ上の液滴を操作することが可能になりました (参考図)。さらに、空気中に伝搬する集束超⾳波ビームが平⾯内で液体を引き付ける性質を発⾒し、ビームの進⾏⽅向にも⼒を加えることで、メッシュから液滴をジャンプさせることにも成功しました。その結果、マイクロ流体基盤からの液滴のジャンプ⾼さとして報告されている中では最も⾼い 128 mm を達成しました。
このマイクロ流体基盤は、平⾯内での液滴の移動、複数の液滴の並列操作、液滴の合体や分割といった基本的な機能を持ち、操作する物体の物性に依存せずに超⾳波操作ができます。この特性を利⽤し、液滴と同じように、ナイロンの固体球を平⾯内で操作したり、ジャンプさせたりすることができました。
また、⽣物分野へのデジタルマイクロ流体装置の応⽤においては、装置表⾯へのタンパク質の付着が問題となります。しかし、本装置では、特殊な加⼯や⼯夫を施さずに、エレクトロウェッティングでは操作できない⾼濃度のタンパク質溶液を動かすことができます (先⾏研究 0.005 mg/mL に対して 1.0 mg/mL、Langmuir、2008)。さらに、メッシュにはプロジェクターで映像を投影できるため、液滴を動かす経路や情報の提⽰が可能な拡張現実としても機能します。
さらに、有機合成において不可⽋で、産業界でも広く⽤いられる鈴⽊・宮浦クロスカップリング反応を、このマイクロ流体基盤上で実施し、この装置の化学分野への応⽤可能性も⽰しました。
今後の展開
今後、本研究で発⾒した、空中超⾳波が⾼⾳圧場に物体が引き寄せられる、という特性を活⽤し、⽴体ディスプレイや実験⾃動システムなどの開発が期待されます。さらに、液滴のジャンプの⽅向も制御できるため、隣接する分析装置への液滴の直接移動や、複数段階に分けた実験⼯程の⾃動化など、新たな実験⾃動化の可能性を開くと考えられます。
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参考図

図 今回開発したマイクロ流体基盤の概要（左）および、これを⽤いて⾏った実験の様⼦（右）左図：超⾳波フェーズドアレイによって、撥⽔メッシュ上の任意の点に焦点を⽣成する。液滴は焦点に引き寄せられるので、集束超⾳波を横にずらすと、液滴も焦点に引き寄せられるように横に動く。また、⼗分に強い集束超⾳波を液滴に当てると、液滴はメッシュからジャンプする。これにより、液滴のジャンプ、移動、合体、分割などの基本的な操作が可能となる。
右図上：本装置では最⾼で 10 cm 以上のジャンプが可能で、他の容器に液滴を直接⾶ばすことができる。
右図下：化学分野への応⽤を⽰すため、本装置上で、有機合成において重要な反応である鈴⽊―宮浦クロスカップリングを⾏った。反応に必要な⼆つの溶液を含む液滴を合体させた結果、⽣成物の存在を⽰す橙⾊の蛍光⾊が確認された。
⽤語解説
注１）

デジタルマイクロ流体技術 (DMF, digital microfluidics)

少量の液体を扱うマイクロ流体技術は、主に、ガラスや樹脂など基盤に微細な流路で流体を操作する場合と、基盤上のデジタルユニットで液滴を操作する場合に分けられる。デジタルマイクロ流体技術
は、これらのうち後者を指す。
注２）

⾳響放射⼒

本研究では、液滴を動かすために超⾳波を⽤いた。超⾳波は、⼈間の可聴域を超える周波数の⾳波で、⾼周波や⼤⾳量の⾳場中で、液滴が⾳波を反射すると、その過程で⾳波の圧⼒変動が液滴に⼒を与える。この現象を⾳響放射⼒と呼ぶ。
注３）

超⾳波フェーズドアレイ

超⾳波振動⼦をアレイ状にならべた装置。本研究では、40kHz の振動⼦を 256 個⽤いた。⼀つひとつの振動⼦を駆動する位相をコンピューターで制御することで、任意の⾳場を提⽰することができる。
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研究資⾦
本研究は、科研費による研究プロジェクト（JP21K14103）、ERATO（JPMJER1502、 JPMJER1903)、
JST 未来社会創造事業（JPMJMI21G8）の⼀環として実施されました。また本研究の⼀部は、ピクシーダストテクノロジーズ株式会社との共同研究契約に基づいて⾏われました。
掲載論⽂
【題 名】

Microfluidic platform using focused ultrasound passing through hydrophobic mesheswith jump availability（撥⽔メッシュを透過する集束超⾳波を⽤いたジャンプ可能なマイクロ流体プラットフォーム）【著者名】

Yusuke Koroyasu、 Thanh-Vinh Nguyen、 Shun Sasaguri、 Asier Marzo、 Iñigo Ezcurdia、Yuuya Nagata、 Tatsuya Yamamoto、 Nobuhiko Nomura、 Takayuki Hoshi、 Yoichi
Ochiai、 Tatsuki Fushimi【掲載誌】

PNAS Nexus【掲載⽇】

2023 年 6 ⽉ 19 ⽇

【DOI】

10.1093/pnasnexus/pgad207【解説動画】 https://youtu.be/zzD_qJXOSO0
問合わせ先【研究に関すること】
伏⾒ ⿓樹（ふしみ たつき）筑波⼤学 図書館情報メディア系／デジタルネイチャー研究開発センター 助教
URL: https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/【取材・報道に関すること】
筑波⼤学広報局
TEL: 029-853-2040
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp
北海道⼤学社会共創部広報課
TEL: 011-706-2610
E-mail: jp-press@general.hokudai.ac.jp

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