Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

マイクロ・ナノスケール / マイクロTAS / 界面分子モニタリング / NMR / ナノスケール粒子 / 自己拡散係数 / 音響放射力 / レーザ放射圧 / 選択的粒子分離 / 脱プロトン反応 / pH / エバネッセント光 / 界面動電駆動流

マイクロ・ナノスケールレベルにおけるセンシング・コントロール技術をon-chip化した次世代マイクロ熱流体デバイスの開発には,固液界面における分子・原子状態をin-situモニタリング可能とする技術,液液界面における(電気)化学反応の定量的センシング,そして分子レベルの選択的拡散輸送技術が必要不可欠である,本年度は,音響放射力および静電気力による粒子選択的分離技術,レーザ放射圧による粒子選択的制御技術,更に,固液界面近傍での物質濃度と分子運動・束縛状態を核磁気共鳴(NMR)信号と分子動力学法との結合で算出する新たな界面分子NMR計測を確立することを目的として,界面分子NMR計測の基盤技術の構築を行った。マイクロNMRコイルを用いた固液界面近傍でのNMR計測では,MEMS技術によって外径0.4mmのNMR受信コイルの微細化を試みた.界面分子モニタリングデバイスの適用評価として,マイクロコイルで高分子膜内の多孔質界面近傍分子からのNMR信号の核スピンのT1,T2緩和時定数と自己拡散係数を測定した.マイクロNMRコイルを数nm程度の微細な多孔質を多数内部に持つ高分子膜に適用し,T1,T2と自己拡散係数を計測した.高分子膜に水を含ませると微細な多孔質内の壁面から水が吸着し,次に自由な水分子で細孔が満たされていく.これを定量的に計測するためにマイクロNMRコイルによってT1,T2緩和時定数および固液界面近傍での水分子の束縛性を示す自己拡散係数を計測し,含水量および試料温度との関係を明らかにした.特に,CPMG法を用いれば,固液界面での磁場の不均一性を補償でき,含水量と温度に強く依存したT2緩和時定数が界面分子モニタリングデバイスとして計測できることを明らかにした.

マイクロスケール混相熱流体 / ナノスケール粒子 / マイクロTAS / ナノスケール計測 / エバネッセント光 / 界面動電駆動流 / 電気二重層 / 壁面ゼータ電位 / 選択的コントロール / 電気化学 / pH / ゼータ電位 / 脱プロトン反応 / 選択的分子拡散輸送 / 分子タッギング / 化学反応界面 / マイクロレンズアレイ / かご化染料

分析化学分野における最先端のマイクロTASの性能を飛躍的に向上させ,新たな機能を創製するためには,マイクロチャネル内の流体(液体,特に緩衝液)中に存在する分子及び分子クラスターを,選択的にコントロール可能とする技術が必要不可欠である.最終年度では,選択的コントロールを直接的に支配する壁面・緩衝液界面に形成されるイオン層,即ち,電気二重層の時空間構造の解明を目的として,ナノスケール流体計測技術の開発を行った.レーザ光をプリズムを用いて,マイクロチャネルを形成する石英ガラスに導入し,ガラス壁面内において全反射を繰り返すことにより,界面近傍に厚さ88ナノメートルのエバネッセント光を発生させる計測システムを確立した.緩衝液中には,プラスイオンを発生させる蛍光色素を混入し,イオン濃度に応じて界面近傍に形成される電気二重層厚さが変化することから,蛍光色素からの蛍光強度と電気二重層厚さとの関係式を密閉セルを用いて求めた.マイクロTASでは,薬品や緩衝液は電界によって駆動されることから,マイクロチャネル内では電気浸透流が支配的となる.本研究では,世界で初めて,電気浸透流が支配的な流れ場における,電気二重層厚さの時空間分布の計測を行い,イオンの挙動を明らかにした.本年度の研究成果により,緩衝液中のイオン挙動が実験的に明らかにされ,従来の電気二重層に関する理論の検証,または新たな理論構築が期待される.更に,マイクロTASにおける化学反応効率は,数桁向上することが期待され,次世代マイクロ熱流体デバイスの開発に直接寄与することが可能となる.

【研究分担者】
小川邦康	慶應義塾大学	理工学部	講師	(Kakenデータベース)
佐藤洋平	慶應義塾大学	理工学部	助教授	(Kakenデータベース)