| 研究課題/領域番号 |
17K01394
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| 研究機関 | 東洋大学 |
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研究代表者 |
花尻 達郎 東洋大学, 理工学部, 教授 (30266994)
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| 研究分担者 |
中島 義賢 大阪大学, ナノサイエンスデザイン教育研究センター, 特任准教授(常勤) (40408993)
水木 徹 東洋大学, バイオ・ナノエレクトロニクス研究センター, 研究助手 (80408997)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | マイクロ流路 / ゼータ電位 / 電気泳動コールター法（ECM） / イットリウム水素化物 |
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| 研究実績の概要 |
本研究グループでは、マイクロ流路で微粒子のゼータ電位を測定する電気泳動法とアパーチャーを用いて粒子の大きさと数を測定するコールター法の二つを組合せたECM(Electrophoretic Coulter Method)を独自に提案しており、本研究では、その実用化の為に必要な要素技術の確立を目的としているが、本年度においては、まず、昨年度に引き続いて、ECMの医療応用を念頭に、ECMの評価対象となり得る生体関連物質の可能性について探索した。昨年度着目した、ヒト多発性骨髄腫・Bリンパ球様（IM-9）に加えて、近年、希少な薬効成分を持つ創薬・新薬への臨床応用が期待されている希少糖などにも研究の範囲を広げた。２年目にあたる本年度は、あらたに、ECMの将来的な本格的デバイス開発に向けて、材料面、構造面から幾つかの検討を行った。材料面に関しては、研究計画においてはECMの透明電極用材料としてグラフェンおよびその酸化物を検討していたが、膜の大面積化、均一性などにどうしても克服し難い問題点があることを鑑み、今年度においては、水素化率により金属―半導体転移が生じるイットリウム水素化物や、青色発光デバイス材料や車載半導体材料として注目されている窒化ガリウムなど、所謂ワイドギャップの半導体材料が適すると考え、それらの新素材の基礎物性評価を行った。構造面に関しては、ECMを用いての細胞表面の電気特性を測定する際に、1. 細胞の電気泳動速度が頗る小さく、流路内の圧力勾配などに起因した液体の流れに隠れ、電気泳動速度のみを測定することが困難である。2. 粒子だけではなく、流路の内壁にも帯電するので、その流れを取り除く必要がある。の２点が実用化を阻む問題点であると考え、その問題解決の為に、新規のマイクロ流路を設計し、圧力勾配を抑制することでより正確な電気泳動速度測定が可能であることを実験的に検証した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度から特に注力している材料面、構造面からの検討に関しては、まず、ECM実用化の為の新素材として有望であると着目しているイットリウム水素化物については、水素化、脱水素化により金属―半導体転移が再現性良く発現することを確認できた。また、半導体的なイットリウム３水素化物は、大気中に放置した場合、数時間単位で容易に脱そ水素化が生じ、半導体的な性質が保持されなくなってしまうが、水素化触媒としてのPt超薄膜の上に更に金属薄膜（Fe, Au, Ti）を成膜することにより、大気中及び室温で半導体的な性質が数日単位で保持され得ること、また、更に加熱することにより水素化率を制御できる可能性があることが実験的に実証できた。一方、金属的なイットリウムについては、ホール測定とその解析によりスピンの拡散長が数十ミクロンにも及ぶことを初めて明らかにし、スピンエレクロニクスデバイスにおけるスピン注入電極として有望であることを示した。
これらの新素材の薄膜形成方法として、比較的安価な設備で大面積、低ダメージ、低温での成膜が可能なミスト蒸着法についても基礎的な検討を始めている。また、構造面については、より正確な電気泳動流の測定のために、電気浸透流の影響だけでなく、圧力勾配流の影響を抑制するために、新規のマイクロ流路の設計を行った。昨年度から検討を始めたH形マイクロ流路に加え、本年度は他にもθ形・Yθ形・Y形マイクロ流路の3種類を設計・作製した。予備実験として各流路にインクと純水を流し、おおむねどの新規構造も圧力勾配流れの影響が抑制に対して効果があることを確認した。
全体としては、２年目にあたる本年度は、特に２名の研究分担者がそれぞれの専門分野、技能を活かし、いろいろな視点からの研究を展開し、その結果として、国際学術雑誌４件、国際会議４件、国内学会６件の発表を行い、想定以上の研究発表を行うことができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
ECMの透明電極用材料として、当初計画していたグラフェンおよびその酸化物に加え、イットリウム水素化物についても詳細に検討する。基礎物性評価を行い、金属―半導体転移のメカニズムの解明やその制御の可能性について明らかにし、更に高圧下での水素化による物性制御の可能性についても探索する。これについては、その為の高圧水素化装置を現在、準備中である。特に、水素化の条件、保護膜の条件、加熱条件などにより、金属―半導体転移近傍において、半導体的イットリウム水素化物のバンドギャップの制御が可能ではないかという着想に至り、その実験的検証に向けて予備実験を開始した段階である。
ECMのマイクロ流路の構造については、幾つかの新規構造により電気浸透流だけでなく圧力勾配流の影響も抑制できることを示せたが、まだ、以下に示すような課題および改善策があると考えている。3点に整理すると、1. 排水部に発生する液だまりにより圧力勾配が流れに影響を与えているので、これを抑えることである。圧力勾配を抑えるためには、排水部にチューブなどを用いてマイクロ流路の排水部に装着し、排液をビーカーなどに排水することで液だまりも発生せずに圧力勾配も抑えられると予想してる。2.次に、シリンジポンプの脈動によりマイクロ流路内部での流れの変化を抑える必要がある。これにはチューブを介せずにシリンジポンプをマイクロ流路に直接、接続することが有効であると考えている。3. 最後に、マイクロ流路個体差による性能のばらつき。実用化に際しては最大の課題であるが、プロセスの再現性、材料の安定性の検証、注入口の穴開け作業の自動化（手作業の排除）など考えられ得ることを地道に根気よく行っていくしかない。これに関して学術的論文など学問的成果が出しにくい課題であるが、最終年度においては実用化を念頭に、特許出願も視野にいれて研究を展開していく予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
上述のように、ECMの透明電極用材料として、当初計画していたグラフェンおよびその酸化物に加え、イットリウム水素化物が主たる研究対象になるという計画変更を行った。それに伴い、水素化制御技術の検討の為に、高圧水素化装置の整備を計画し、準備を進めているところであるが、本格的な立ち上げが次年度になりそうな為、その為の予算を余裕をもって確保するために、本年度予算の一部を繰り越すことを計画する次第である。
次年度においては、基本方針として、もともと計画していた予算を用いて、申請時に計画された研究課題を遂行し、繰り越された本年度予算分に関しては、当初計画していなかった高圧水素化装置の整備の為に充当することを計画している。本装置に関しては、別目的で使用していた既存の装置を転用し、本研究のためには、一部のガス配管などの追加を行うだけでよいので、具体的には主に真空部品、ガス配管部品などの消耗品の購入に充当する計画である。
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