共同研究・競争的資金等の研究課題

流体工学が光の波長より小さいナノ空間へと進展している。しかし、空間が幅・深さ数100 nm以下になると液体の物性変化など様々な特異的現象が発現するため、この空間の物質輸送を明らかにする超解像度（10 nm分解能）の流速分布計測が重要となる。流速分布計測法としては粒子画像流速計（PIV）が一般的であるが、(x, y, z)３方向に対して超解像度を実現することは極めて難しかった。そこで本研究では、レンズの結像で問題となる球面収差を積極活用・制御して、非焦点領域の粒子像からナノ粒子の位置を10 nm分解能で検出するデフォーカス・ナノPIVを開発する。

10-100 nmのナノ空間の流体科学・工学の進展に伴い、表面支配の極小空間における溶質分子輸送現象の解明が重要となっている。本研究では、独自の技術と方法論に基づき光散乱を用いたナノ空間非蛍光ナノ粒子の超解像度追跡法を創成することを目的とする。サイズと表面粗さを1 nm以下の精度で制御したガラス製ナノ流路を作製して、バックグラウンド光を極限まで低減して光学的に整えた条件下で、ナノ粒子の散乱光と流路壁面からの反射光との干渉により形成される粒子像を高速・高感度に検出し、位相差に伴う粒子像変化からナノ空間を流れる非蛍光ナノ粒子の位置をx, y, zの3方向で10 nm分解能で測定する。

8K対応光学機器の普及に向けて，大口径非球面光学レンズの高能率生産が要求されている．これに応えるため，酸化セリウム（CeO2）スラリーを用いて効率よく延性モード研削を行う，化学反応誘起スラリー援用研削法（RISA研削）の研究を進めてきた．CeO2粒子が砥石表面に付着すると，延性モード研削能力が桁違いに高まる一方で，付着は不安定で，滞留時間の違いによる形状の崩れも生じる．そこで，本研究では，CeO2粒子付着メカニズムを明らかにし，プロセス制御するために感覚機能を備えた超精密加工システムを開発する．これにより，RISA研削の安定化に加え形状制御を実現する．

ナノ流体工学が進展し化学分離・分析法の超高機能化が実現しつつある。一方、同スケールの細胞・小胞は既存の化学の方法ではできない多種多様な機能を有しており、その中の細胞膜と膜タンパクは様々な分子種の超高選択的輸送や濃度勾配を逆行する能動輸送など特異的な役割を担う。そこで代表者は、細胞膜と膜タンパクをナノ流路に組込み機能を再現すれば、既存の化学の延長でない新しいナノ流体機能デバイスを創成でき、夾雑物からの超高選択的分離、簡易迅速薬物モニタリング、人工細胞／小胞システムなどを実現できると着想した。そこで本研究では、独自のナノ流路油水平行二相流形成技術を活用したナノスケール脂質二重膜組込技術を開発する。

ナノ空間の流体工学の進展により、化学分析の可算個分子レベルへの超微量化が実現しつつある。しかし、試料分子数が限定されても、空間の微小化の単なる延長では流体工学の極限である分子1個の輸送・化学処理とこれにより初めて実現する1分子分析には到達できない。本研究では、独自技術によりナノ流路で極小液滴を生成して、統計力学の原理により液滴中に試料分子1個を閉じ込め個数の単位で配列・輸送、更に液滴の合一により1分子を衝突・反応させる方法論とこれを用いた分析法を創成し、病変部の表皮角化細胞、涙液、汗などに含まれるサイトカイン分析に応用することを目的とする。

10-100 nm空間を利用して革新的機能を実現するナノ流体工学が発展しつつあり、ナノ流路の時空間流動計測法が求められている。しかし、最小でも20 nm程度のトレーサ粒子を用いる従来の粒子画像流速計（PIV）は、100 nm空間では分解能に乏しく、10 nm空間にはそもそも適用困難である。そこで本研究では、単一分子をトレーサとするナノ空間流速分布計測法、即ち分子画像流速計（MIV）を創成する。 これまでにサイズが制御された高分子であるデンドリマーを用いた単一分子トレーサを開発してきた。末端にサクシニミジルエステル基を有するデンドリマーと蛍光分子の修飾反応により、大きさ14 nmでサイズ・蛍光強度ともに均一な単一分子トレーサをはじめて実現した。これにより、分解能など課題はあるものの、MIVを用いて深さ150 nmのナノ流路の圧力駆動流の流速分布計測にはじめて至った。また、修飾反応における反応回数、反応溶媒、スペーサの導入を改善し、単一分子トレーサの強度を2.2倍に増加させることに成功した。 平成29年度は、MIVによる流速分布計測システムの開発に取り組んだ。しかし、当初のレーザーの全反射を用いたエバネッセント波による計測システムでは、蛍光強度からトレーサの位置を求めるため、蛍光が微弱な単一分子トレーサでは測定における空間分解能の向上に限界があることが判ってきた。一方、研究を進める中で、ナノ粒子のデフォーカス像の形状を用いればナノスケールの分解能をもつ測定が可能であることを見出した。そこで次年度は、MIVによるナノ空間流速分布計測に向けて測定法の検討と実証に取り組む。 測定法の検討を含め、ナノ空間の流速分布計測に向けて有用な知見が得られているため。 引き続きMIVによるナノ空間流速分布計測に向けて、測定法の検討と実証に取り組む。

本研究では、研究代表者ら独自の非蛍光分子検出法である光熱変換位相差（POPS）検出法により、100 nmの拡張ナノ空間で生体分子の無標識一分子検出を実現することを目的とする。具体的には、生体分子を対象とするUV励起型かつバックグラウンドフリー化のための光学系、及び熱拡散に伴う感度低下の抑制のため熱光学特性を制御した検出用拡張ナノ流路を開発して、これまで100分子レベルであった検出感度を更に2桁向上させる。以上により、単一・可算個分子を対象とする極限の分析化学を創成する。 平成29年度は、UV励起型かつバックグラウンドフリー化のための光学系を開発した。POPS検出では、プローブ光を微分干渉プリズムにより分離して干渉させることで光の波長以下の拡張ナノ空間で試料分子から放出される熱に伴う屈折率変化を検出する。これまでの光学系では、プローブ光だけでなく励起光も微分干渉プリズムを通過する構造であった。しかし、これをUV励起型にするとプリズムにおける紫外励起光の透過性と可視プローブ光の干渉性の両立が困難であり、検出における感度低下の要因となっていた。そこで、励起光とプローブ光の光路を独立化させた光学系を開発することで、UV励起型でもプローブ光の高精度の干渉を実現した。これにより、干渉によるバックグラウンド低減率が従来よりも5倍高い消光比1/340を達成した。これは従来光学系によるUV励起型POPSよりも感度が桁で高い検出が可能であることを意味している。今後、新たに開発した光学系を用いて生体分子の検出性能の評価に取り組む。 当初研究計画通りにUV励起型POPSにおける光学系の問題を解決してプローブ光干渉の性能向上を実現しているため。 今年度開発した光学系を用いて励起光強度の増強とノイズ低減に取り組み検出性能を評価する。一方、検出に用いる拡張ナノ流路への断熱部への組込などによる流路の熱光学特性の制御にも着手する。