電界駆動型流体トランジスタを用いた高速遺伝子センシングシステムの研究

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25750187
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 坂本 憲児 九州工業大学, マイクロ化総合技術センター, 助教 (10379290)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: マイクロポンプ / microTAS / マイクロ流体 / Lab on a Chip / 電気浸透流

Research Abstract

個人の体質による個別治療（テーラーメード医療）を実現するためには、体質に関わるSNPsなどの特定遺伝子配列を臨床現場で迅速に診断する必要がある。現在主流の解析装置は高額であり専門の医療・研究機関でしか使うことはできない。また装置が複雑で解析には時間がかかる問題がある。遺伝子の配列情報を臨床利用するためには、簡便・迅速・安価な遺伝子解析のツールが必要である。
この課題に対して研究者は、遺伝子解析ツールとして注目されている遺伝子トランジスタの研究を発展させ、本研究で進めるポンプ-バルブ-センサ集積化デバイスの研究と遺伝子トランジスタとの集積化を行い、遺伝子解析システムの装置化を目指している。
本研究では高速スイッチング機能を持った送液制御系と遺伝子トランジスタを組み合わせ、迅速な遺伝子解析システムの構築が必要である。この研究を進める上で重要なポイントは電界駆動型流体トランジスタを用いたポンプ-バルブ機能とその素子を複数制御して行う高速スイッチング式送液技術の確立、およびトランジスタを組み合わせた連動型センシングシステム化技術の開発である。
平成25年度には高速スイッチング式送液技術の確立の内、重要となる電界駆動型流体トランジスタ試作を行った。電界駆動型流体ゲートは疎水膜を用いて構成する。流路内の液体は疎水性親水性界面で液体は止まる。この性能を用いパターニングした疎水性膜を用いてノーマリークローズのゲートを形成する。流動を起こすためにEWODの原理を用いてゲート電圧を加えることにより液体の界面張力を変調させる。さらに試薬側（ソース）から圧力を加えることで界面を形状変化させ、液体先端がキャピラリ部に到達した際に毛細管力で送液方向（ドレイン）へ試薬を取り出す構造である。25年度には原理検証用のマクロモデルと実デバイスサイズの10mm角チップに関してマスク作製および試作チップ作製を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

現在までに高速スイッチング式送液技術の確立として電界駆動型流体トランジスタの試作を進めている。電界駆動型流体トランジスタのポンプ構造体および気泡排気バイパス、キャピラリ送液部の形状を設計し、原理検証用のマクロモデル（50mm角チップ）と実デバイスサイズの10mm角チップ（内ポンプ部サイズ3.5mm×1mm））のマスク作製を行った。
本研究ではSi基板に深堀エッチングを行いポンプ構造体を作成する必要がある。ミクロモデルサイズはこれまで行った事のない深堀エッチングプロセスになるため、エッチングの条件出しを時間をかけて行った。このため進捗が遅れる事になったが、これらのデータは気泡排気構造の疎水膜を作製する際の必要不可欠なデータとなり、今後の研究推進を加速するものである。
また実デバイスサイズにチップを形成するためには、金電極の微細パターニングが必要になる。これまでに用いてきたステンレスマスクを用いたマスク蒸着では不可能なため、新たにウエットエッチングの技術を導入し、幅約50μmの金電極パターニングに成功した。
得られたエッチングデータと作製したマスク、そして電極パターニングの技術を用いてプロセスを行いマクロモデル、実デバイスサイズモデルのそれぞれのテストチップを作製した。
またこれらの表面に関してはガラスカバーを貼りつけて閉空間とした。この際、ガラスカバーには流路入口出口の部分にガラス加工を施しており、ガラスとチップ（酸化膜）の接合はフッ酸処理で直接原子同士の貼り合わせを行う仮止め接合で行っている。今後この接合に関してはシリコン-酸化シリコンの表面活性化接合または極薄膜金を用いた圧着接合へと変更していく予定である。
上記チップが現在まで完成しており、今後これらの駆動実験を行いデータとしてまとめる予定である。

Strategy for Future Research Activity

本年度作製したチップにより基礎データ収集と解析を進め、電界駆動型流体トランジスタとしての機能が確認できた段階で特許申請を行い、同時に学術論文を投稿する。
電界駆動型流体トランジスタの基礎が完成した後、26年度計画内容である複数素子による極微量送液制御法を研究する。ここでは制御系回路の研究がメインになる。高速・高性能なスイッチング回路のシミュレーションと流動シミュレーションを行い、時間間隔、印加電圧等のデータを集め、それらを反映させてワンチップマイコンで制御する形で実験を行う。これらのデータから最適な制御系回路の設計を行い、実デバイスへの集積化を行う。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

25年度に購入予定であった卓上スパッタ装置は25年度での必要性が低かったため、72,629円を繰り越すことで26年度の購入費用に充てるようにした。
26年度は研究計画に沿って、流体シミュレーション用ＰＣと貼り合わせ形成用の金属薄膜を形成する卓上スパッタ装置の導入が必要である。また制御系回路を外部のワンチップマイコンで研究するため、ワンチップマイコン関連部品、ポンプとチップの接続部品、試薬用チューブ・コネクタなどの購入が必要である。これらを26年度の予算での購入を行う。
また26年度はこれまでの研究成果を国際学会・国内学会で発表するためその旅費が必要になる。さらに東京医科歯科大学の宮原教授と協力研究体制をとるため、会議および基礎実験を行いに同研究室への出張が必要になる。