2015 Fiscal Year Research-status Report
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26420210
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| Research Institution | Toyo University |
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Principal Investigator |
大久保 俊文 東洋大学, 理工学部, 教授 (60349933)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | TAS / マイクロ流路 / 光導波路 / 照射角度走査 / 光スキャナ / 蛍光検出 / FDTD 法 / BPM法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の狙いは、十数mm角のチップ上に形成した細胞サイズの断面寸法を有する流路に検体を流し、種々の物理刺激を与えたり、化学反応を発現させることで、細胞の生理情報を採取する総合分析システム（TAS）構築に資する基盤技術を開発することにある。本研究の特長は、物理刺激として可視光を用い、光の伝搬通路となる導波路を、流路周辺と同一材料によって一体構成とすることにより、光学測定を旨とする大型分析器であるフローサイトメータと同等以上の機能を、チップ上に凝縮して実現することにある。
助成期間の初年度においては、これまでに設計・試作した高アスペクト比の導波路コア（高さが幅の約１．５倍）を有するTASチップを用い、フローサイトメータではすでに一般的である蛍光物質を付着した微粒子からの極微な前方および側方発生蛍光を、チップ面内に限定して小型の光電子増倍管モジュールによって高/S/Nで光電変換した。本年度は、最終目的である細胞周囲にわたって励起光の角度走査を行うことで、発生蛍光の指向特性を得て細胞の内部構造を推定するための第一歩として、小型の積層型ピエゾアクチュエータと光ファイバに基づく光スキャナを用いて、樹脂微粒子（疑似細胞）をシーケンシャルに照射励する検討を、並列配置の導波路（間隔10～20μm）を対象に行った。スキャナ駆動周波数が1.7kHz、微粒子の導波路交叉部通過速度が、30mm/s～700mm/sの広範な速度域で、光照射動作に同期した蛍光応答を確認でき、角度走査実現に自信を得た。同時に、励起光の角度走査が可能な、流路との交叉部から導波路が放射状に広がる新たなTASチップを設計し、試作した。放射状導波路の幅が設計よりも小さめ（5μm→4.8~4.6μm）なため、光通過率が低く、またチップの歩留まり不良等の難題もあるが、既存の光スキャナを用い±45の範囲で角度走査が可能なことを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成27年度の進捗状況は、おおむね順調としたが、個別課題ごとには以下のように考える。
前年報告においては、パーティクルリフタによる疑似細胞（微粒子）の交叉点近傍の斜め横断案は、加工誤差や加圧力変化による流れの調整、微粒子の流線に乗った正確な運動実現の可否、超扁平導波路の放射状構成など、多重な難度を抱える反面、個々の要因が敏感に全体に影響するので着実な成果を得るのが難しいと判断した。補助案として、検体の流れは従来通り水平流れとし、縦長の高アスペクト断面のコアを放射状に配することで、検体を「疑似縦切り」にしながら照射角走査を行い、発生蛍光の指向特性を得る手法に切り替えて進めることとした。小径化光ファイバを圧電素子で加振し導波路に順次光源光を配分する「光スキャナ」は、前年度までにハードを完成させていたが、導波路を切り替えての蛍光採取は経験がなく、切り替えと微粒子通過のタイミング調整についても、実際の難度は不明であった。このため、放射状コアパターンを有するチップ試作に先行して、既存の複数の平行導波路を有するチップを用い、導波路を切り替えつつ流動速度タイミングに同期した粒子を、複数の交叉点を通過するごとに励起して蛍光を採取する予備検討を行った。これには粒子速度制御は導入せず、検体分散粒子の数密度を低めに設定しつつ、時間をかけて結果的に同期のとれた粒子の応答を選択抽出した。この結果、30mm/s～700mm/sと1.5桁程度の速度域で、蛍光の同期応答を観察でき、角度走査方式への自信となった。これに基づき、放射状導波路コアパターンを形成したチップを試作し、コアを順次切り替えることで、±45°の範囲で角度走査が可能なことを確認した。なお、試作したコアのアスペクト比は、約2.3（幅4.8μm、高さ約11μm）である。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画において発想した超扁平導波路をチップ面内に放射状に対向配置させ、検体粒子をこの収束点においてコアの厚み（垂直もしくは斜め）方向に横断させることで光角度走査と同時に送り走査を行う案は、進歩性や達成機能としては、一見極めて魅力的である。しかし必要な作製プロセスにおいては、流路＋超扁平導波路（コア）作製と、粒子を所定の軌跡をもって斜め流動させる粒子リフターの作製という二重三重に高精度な加工プロセスを経る必要があることから、複数の課題をクリアするための予備検討に多くの時間と費用を要することが判明してきた。このため、粒子の流動は従来通り水平とし、高アスペクトコアを放射状に配置して励起光の角度走査を行う方法に切り替えるとともに（前年度報告済み）、予備検討を経て少なくとも角度走査のための基本機能は実現可能なチップの試作完了にこぎ着けた。同チップを用いた角度走査による蛍光検出結果も出始めており、成果のプロパガンダとさらなる性能向上に向けて問題点抽出を進める。具体的には、放射状コアのアスペクト比は設計想定よりも高いものを得たが、光の透過率は想定を超えて低い値に止まっており、現行入手可能な最高性能の光電子増倍管を用いても、S/N向上が難しい。このため、アスペクト比を維持しながら透過率を改善する光プロセスを、FDTDなどの手法に基づいて検討する。一方、光スキャナで加振する光ファイバ先端は、子細には扁平楕円運動をすることが分かっており、この現象を逆手に取って、励起コアを上半・下半に分割した上で、粒子の上下域を交替走査する「疑似三次元光走査」に展開できる可能性を検討する。
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