Development of a method for single-molecule chemical processing utilizing ultra-small droplets in nanospace and application to cytokine analysis

• Project/Area Number: 21K18161
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 嘉副 裕 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (20600919)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉崎 歩 東京大学, 医学部附属病院, 特任准教授 (40530415)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2024: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
• Keywords: ナノ流体工学 / ナノ流路 / 液滴 / 1分子

Outline of Research at the Start

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。

Outline of Annual Research Achievements

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体積aL-fLの液滴を生成して、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。研究項目A）液滴連続生成・輸送・合一のためのナノ流体デバイスの開発、研究項目B）液滴を利用した1分子配列、輸送、反応操作の検証、研究項目C）1分子分析の検証に取り組む。
2023年度は、研究項目Bに取り組んだ。2022年度に開発したナノ流路におけるaL液滴生成・1分子輸送法、及び油水界面ラプラス圧を活用した液滴への流体導入法を用いて1分子化学反応の検証に取り組んだ。連続生成した液滴に蛍光溶液を導入することで、液滴内での混合操作の検証に成功した。一方、液滴に導入される溶液の体積に大きなばらつきがあることが判った。そこで、1分子化学反応のための試薬導入の流体操作について再検討を進めた。次年度は、この再検討にもとづき1分子化学反応の検証に取り組み、1分子分析に向けた検討を進める。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2023年度はaL液滴を用いた1分子化学反応を検証する計画であったが、2022年度に開発した液滴への流体導入操作における導入体積に大きなばらつきがあることが判り、液滴への試薬導入・混合には成功したものの、1分子化学反応には至らなかったため。

Strategy for Future Research Activity

2022年度に開発した流体導入操作について、方法論を見直し、1分子化学反応に再度取り組む。また、1分子分析に向けた蛍光1分子検出システムの感度向上等の基礎検討にも取り組む。

Research Products

• [Journal Article] Hydrophobic and oleophobic nanopillars reduce viscous drag in slit nanofluidic channels (2023)
  • Author(s): Kensuke Mino, Yutaka Kazoe
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 123 Issue: 7 Pages: 071602-071602
  • DOI: 10.1063/5.0160451
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Method of Single-Particle Transport Utilizing Ultrasmall-Droplets in Nanochannels (2022)
  • Author(s): Ryosuke Ohho, Yutaka Kazoe
  • Journal Title: Proceedings of MicroTAS2022 Volume: - Pages: 847-848
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of Lipid Bilayer at an Interface between Parallel Microchannels by Operation of Aqueous/Organic Parallel Two-Phase Flow (2022)
  • Author(s): Naoyuki Takezoe, Yutaka Kazoe
  • Journal Title: Proceedings of MicroTAS2022 Volume: - Pages: 272-273
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ガラスの弾性変形を用いたナノ流路開閉バルブの集積化に向けた水圧駆動アクチュエータの開発 (2023)
  • Author(s): 杉田昌平, 小山瑞歩, 嘉副裕
  • Organizer: 日本機械学会第14回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
• [Presentation] Development of a sampling method for single nanoparticles utilizing hierarchical nanofluidic channels (2023)
  • Author(s): Rina Kakiuchi, Yutaka Kazoe
  • Organizer: The 16th IEEE International Conference on Nano/Molecular Medicine & Engineering (IEEE-NANOMED 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Super-Resolution Particle Image Velocimetry for Fluid Flows in Nanofluidic Channel (2023)
  • Author(s): Yutaka Kazoe
  • Organizer: OIST-KEIO Showcase Talk Series 4
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Femtoliter Solvent Extraction by Parallel Two-Phase Flows in Nanofluidic Channels (2023)
  • Author(s): Yutaka Kazoe
  • Organizer: 2023 International Workshop on Microfluidic Chemical Plant - International University-Industry Collaboration for Innovation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of a Method of Single-Particle Transport Utilizing Ultrasmall-Droplets in Nanochannels (2022)
  • Author(s): Ryosuke Ohho, Yutaka Kazoe
  • Organizer: The 26th International Conference on Minituarized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of Lipid Bilayer at an Interface between Parallel Microchannels by Operation of Aqueous/Organic Parallel Two-Phase Flow (2022)
  • Author(s): Naoyuki Takezoe, Yutaka Kazoe
  • Organizer: The 26th International Conference on Minituarized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Femtoliter-Droplet Shooter by Gas/Liquid Nanofluidics for an Interface of Mass Spectrometry (2022)
  • Author(s): Yutaka Kazoe
  • Organizer: The 17th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineering & Molecular Systems (IEEE NEMS 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 油水平行二相流を利用した並走する2本のマイクロ流路間における脂質二重膜形成 (2022)
  • Author(s): 竹添直之, 嘉副裕
  • Organizer: 4大学ナノ・マイクロファブリケーションコンソーシアム・シンポジウム
• [Presentation] 油水平行二相流を利用した並走マイクロ流路間における脂質二重膜形成 (2022)
  • Author(s): 竹添直之, 嘉副裕
  • Organizer: 日本機械学会第100期流体工学部門講演会
• [Presentation] 1分子輸送に向けたナノ流路における超微量液滴形成 (2022)
  • Author(s): 大穂亮介, 嘉副裕
  • Organizer: 日本機械学会第100期流体工学部門講演会
• [Presentation] ナノ空間1粒子サンプリングに向けた階層的ナノ流路の作製 (2022)
  • Author(s): 垣内理那, 嘉副裕
  • Organizer: 日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
• [Presentation] ナノ流体工学による超高感度1分子分析技術の開発 (2022)
  • Author(s): 嘉副裕
  • Organizer: 第5回Skin Disease Research Conference
  • Invited
• [Presentation] 1粒子輸送に向けたナノ流路における微小液滴生成法の開発 (2021)
  • Author(s): 大穂亮介、嘉副裕
  • Organizer: 第12回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
• [Book] Nanofluidic technologies for drug screening and drug delivery, in “Nano- and Microfabrication Techniques in Drug Delivery” Ed. Dimitrious Lamprou (2023)
  • Author(s): Yutaka Kazoe, Kenji Sueyoshi, Sakikam Seetasang, Yan Xu
  • Total Pages: 54
  • Publisher: Springer Cham
• [Book] マイクロ・ナノ熱工学の進展 (2021)
  • Author(s): マイクロ・ナノ熱工学の進展編集委員会、丸山 茂夫、稲田 孝明ほか17名
  • Total Pages: 808
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860437220
• [Remarks] 熱流体工学研究室
  • URL: http://www.tfe.sd.keio.ac.jp/
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/read0137087