2014 Fiscal Year Research-status Report
電磁駆動式転がり操作技術を用いた高感度バイオセンサーの開発
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26870115
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平野 太一 東京大学, 生産技術研究所, 技術専門職員 (00401282)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 粘度計測システム / 表界面モニタリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、電磁回転式非接触トルク印加装置による金属プローブの操作技術を用いて、転がり摩擦の大きさを高精度に計測し、その値の変化をその場観察できるような測定システムを構築し、このシステムを固液界面でおこる分子吸着反応や形態変化の過程を検出するためのセンサーとして開発することを目的としている。
平成26年度に実施した研究は大きく2つに分けることができる。まず始めに、動作検証装置の改良を行った。実施計画をもとに電磁石の芯材として100ミクロン厚の薄い鋼板を積み上げた「積層鋼板」を使用することで、駆動周波数1kHzにおいても電流損失によるパワー低下を抑えることに成功した。ところが、本駆動技術を有効に活用するためには広帯域電源装置が必要であり、将来的に医療の現場で簡便かつ安価に使用できるセンサーとしての開発を目指す上で、スペース・コスト両面における負荷が大きい。そこで、プローブ接地面の下部に配置した永久磁石から垂直上方に漏れ出た磁場を利用する、永久磁石回転駆動型の採用を視野に入れ磁場設計の計算プログラムを組み、最適な磁石のサイズや配置を割り出した。これを基に、双極タイプおよび四重極タイプの動作検証機を作成し、計算との相違を確かめた。
次に、プローブ形状と検出能力の比較・検討を行った。球プローブの転がり運動に対する速度変化の検出精度は、生体試料の典型的な粘度である10mPa･s程度の粘性流体に対しては目標の1％以内を達成できるが、より水に近い1mPa･s程度になると2％前後が限界であった。一方、試料液面にディスク型のプローブを浮かべ、その回転速度の変化を検出する方式についても評価を行った結果、純水に対しての検出精度で0.5%以内を実現した。この飛躍的な性能向上を活用し、ゾル-ゲル相転移点の高精度決定や表面単分子膜の粘弾性測定に着手し、成果を出しつつある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通りに電磁石を使用した高性能の駆動装置を作成しただけでなく、安価で汎用性の高い駆動手法にも取り組み、計算と実験の両面から最適なシステムを模索し構築にまで至ったことは計画以上の成果であると言える。電磁石を使用した高スペック機は、定常回転運動以外の様々な運動モードを駆動可能であることから、本研究で得た知見により、これまで粘弾性測定や非線形挙動の測定ができなかった低粘性複雑流体に対しても定量的な評価が可能となり、新たな産業分野を開拓することも期待される。
また、当初の計画で運用を考えていた転がり摩擦計測法の測定精度を評価した上で、さらなる精度向上を目指し、浮上ディスク方式のプローブ使用についても考察、検証実験を行い、純水に対して0.5％以内という、当初の計画を上回る成果を達成した。さらに、界面活性剤が形成する表面膜の粘度を測定したり、ミセルが成長していく様子をモニタリングしたりといった成果も出ており、バイオセンサーとしての応用に向け重要な知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの研究成果を踏まえ、今後の研究は球プローブの転がり速度あるいは円板プローブの回転速度をリアルタイム検出するために、データ解析まで含めた測定システムの構築を目指す。
円板プローブに関しては、液面に浮いている状態なので試料の不透明度に依存せず観察可能であり、一回転の周期を読み取る解析法から瞬時の回転速度を読み取る解析法に切り替えるのは比較的容易であると考えている。また、円板と試料セル底面との距離、つまり試料液体の厚みが重要なパラメータとなるため、円板の浮き沈みをモニタリングする機構も設置する。
一方、球プローブに関しては、試料液体内に没した状態なので画像検出以外の方法を導入する必要がある。当初の計画であるマイクロホンによる振動音測定の他に、電磁センサーの利用も視野に入れており、本駆動技術との相性や材料部品のコストなどを見極めつつ適切な計測システムの構築を目指す。
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| Causes of Carryover |
本年度は、駆動装置の改良と基礎データの取得に注力したため、測定に用いる試料は標準となる薬品、試薬の購入に止めたが、次年度に計測システムを構築した後、系統的にデータを取得する際の物品費に充当する予定である。
また、メルボルンで行われる国際学会の旅費を計画に入れていたが、別の国際派遣助成を受けることができたため、次年度に開催される国際学会の旅費に充当する予定である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度では、より実践的なセンサーとしての開発を目指し、主にプローブの速度変化を自動計測するための観察系、データ解析系のシステム構築を行う予定であり、カメラ、顕微鏡、音センサー、電磁センサーや各種電子部品などが必要不可欠である。また、学術的・産業的に本装置の有用性をアピールするために、試料の種類によってデータに相違があるか無いかを系統的に調べ、得られた成果を国内外で発表する予定である。次年度に請求する研究費は、主に駆動技術の開発に充当した本年度の研究費と重複するものではなく、本研究の目的を達成するために妥当、かつ必要であると考える。
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