研究紹介　「微量液体操作デバイス」

微小な流路やバルブ、ポンプなどをシリコンやガラスの基板上に集積して、化学やバイオ・医療における分析技術に応用する研究が世界中で盛んに行われています。 このような分析チップはμTAS（Micro Total Analysis Systems）やLab-on-a-chipと呼ばれています。 特に医療診断で使われる分析チップにおいては、被験者の負担軽減、試薬や廃液の少量化、分析の高速化などのために、使用する溶液の量をなるべく少なくし、 極めて微量な液滴の状態で分析できることが望まれています。 その際、微量な液滴を分析箇所に輸送する技術の開発が極めて重要となります。 液滴を輸送する従来技術としては、外部からの空気圧を利用する方法、誘電泳動を利用する方法、静電気や熱、光を利用して液滴前後の表面張力の差を形成する方法などが存在します。 しかし、これらの方法ではチップ外部に圧力源や電源、熱源、光源などが必要となり、全体のシステムや製造方法が大掛かりで複雑かつ高価なものになってしまい、 このことは使い捨てが望まれる医療用分析チップへの応用を阻む大きな要因となります。

そこで、私たちは、ガラスやシリコンの基板の表面に疎水性材料と親水性材料をパターニングすることにより、疎水性から親水性に徐々に変化する濡れ性勾配表面を形成し、 この面上に置いた液滴の前後の接触角の違いによって液滴に駆動力を与え、液滴を自動的に輸送する技術を構築しました。 この技術を用いれば、外部にエネルギー源を必要とすることなく、極めて簡便に液滴を長距離輸送することが可能になり、 またパターン形状を工夫することで直線的な輸送だけでなく曲線的な輸送などの様々な輸送経路を形成することが可能になります。

私たちは、疎水性材料と親水性材料をパターニングすることによってガラスやシリコンの基板上に濡れ性勾配表面を形成し、 微量な液滴を自動的に輸送する技術を構築してきました。 しかし、この技術では、パターン面に液滴を置くと即座に液滴が移動を開始し、液滴の輸送開始や終了、輸送速度などを制御することが不可能でした。 これでは、複数の液滴を混合したり分析箇所にタイミングよく輸送する際に不都合が生じます。 そこで、私達はElectrowetting on Dielectric (EWOD)と呼ばれる技術を利用して、静電気の力で濡れ性勾配表面を形成し、液滴輸送を制御する技術を構築しました。 この技術を用いるとデバイス外部に電源が必要となりますが、デバイス上の電極数は少なく済むので、システム全体をそれほど複雑化することなく高機能なデバイスが構築できるものと期待しています。

微小なデバイス上で血液などの生体液を用いる場合、溶液中に含まれるタンパク質がデバイス表面に吸着して大きな問題になることがあります。 例えば、タンパク質の分析を目的としたデバイスでは、吸着によりタンパク質の濃度が大きく変化し正しい計測ができない恐れがあります。 また、マイクロバルブなどで流体を操作する場合には、タンパク質の吸着がバルブ動作を不安定にする要因となります。 このようなタンパク質の吸着を抑制する一つの方法は、デバイス表面をできるだけ超撥水性にして、タンパク質を含む溶液がデバイス表面に濡れないようにすることです。 一般に、表面に物理的な凸凹を形成し、その表面を疎水性の材料で構成すると、超撥水性の表面を実現できます。実は、池に浮かぶ蓮の葉もそのような微小構造を持っています。 私たちは、シリコン基板の表面を陽極酸化することにより、蓮の葉の表面と同じような微小な凹凸構造を有する超撥水性面を形成しました。 この面上に液滴を載せると、液滴が強くはじかれて真球に近い形状になります。 実際にこの面上におけるタンパク質の吸着量を調べたところ、吸着を大きく抑制できることが分かりました。 さらに、この超撥水性面をマイクロ流路中に形成し、マイクロバルブに応用できることを示しました。