Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

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.

シリコン微細深溝加工 / 溶液電界効果 / 分子認識デバイス / 界面ゼータ電位 / 電気泳動 / プラズマエッチング / 電気浸透流 / DNA / ゼータ電位 / 電気浸透 / pH

半導体製造プロセスを用いてシリコン基板に微細流路を形成し、微量試料溶液からの成分分析を行うマイクロ流体デバイスの創製を目的に研究を行った。昨年度までに、ナノメートルオーダーの深溝溝表面へ、絶縁性に優れた熱酸化膜の作製技術について検討を行った。,その結果、バイオ分子認識チップとして用いるに十分な耐圧特性が得られる絶縁膜としては、窒化膜が酸化膜より優れることが分かった。そこで今年度は、シリコン基板に、CVD法を用いて酸化膜/窒化膜の複合酸化膜を作製し、この酸化膜に、ウエットおよびドライエッチング法により、深さ50nm、流路幅250nmのナノ流路を形成し、シリコン基板裏面からの電圧印加により、流路内を流れる電流特性の評価を行った。シリコン基板裏面からのゲート電圧印加により、ナノ流路内を流れる電流値は、負のバイアスの印加(0V〜25V)に、より徐々に増大した。また、正のバイアスの印加では、電流値は減少した。これは、流路内壁面のゼータ電位変化に対応し、ゲート電圧が負に大きい場合は、電気浸透流による流れが支配的で電流値が増大し、逆に正のゲート電圧印加では、従来酸化膜表面のゼータ電位は、-60mVであるため、その値がゼロに近付き、電気浸透流による流速が減少したことにより電流値の減少が認められたと考察できる。ゼータ電位の変化により電流値の変化が引き起こされたことは、流体シミュレーションを用いた結果からも確かめることができた。さらに、ナノ流路内を流れる電流値は、例えば電解質イオンのような電荷をもつ物質の性質により非常に敏感であることが、実験結果およびシミュレーションより明らかとなった。つまり、バイオ分子などの、よりイオン性の高い物質を含む水溶液を用いた流体制御を、界面のゼータ電位を制御することにより行う場合は、狭ギャップにすることが必要であることも明らかとなった。これらの成果は、ナノギャップ流路をもるバイオ分子認識デバイスにおいて設計指針を示すものである。