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2014 年度 実績報告書

マイクロフルイディックエンジニアリングの深化と生体分子高感度定量計測への展開

研究課題

研究課題/領域番号 23226010
研究機関早稲田大学

研究代表者

庄子 習一  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00171017)

研究分担者 竹山 春子  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60262234)
水野 潤  早稲田大学, 付置研究所, 教授 (60386737)
関口 哲志  早稲田大学, 付置研究所, 教授 (70424819)
研究期間 (年度) 2011-04-01 – 2016-03-31
キーワード計測システム / μTAS / マイクロマシン / ナノバイオ / 定量計測
研究実績の概要

1.研究の目的
微小発光サンプルの光学的超高感度定量計測を可能とすべく、on demand型の光学的補助機能を組み込んだマイクロ流体デバイスを開発する。H26年度は、試作した要素素子をアプリケーション側からの要求に応じてシステム化したプロトタイプデバイスを作製し、細胞、DNA等微小サンプルを使用した実証実験を行った。
2.研究実績の概要
1)ドロップレット関連技術のシステム応用(庄子・竹山・関口):マイクロ流体デバイスを用いて、ナノ粒子表面へのたんぱく質の修飾に成功した。また、サイズが異なるドロップレットをパッシブにソーティングすることにより、柔らかい物質に損傷を与えることのないソーティング技術を開発し、システム化した。2)三次元シースフロー関連技術のシステム応用(庄子・関口):前年度よりも長い人工血管の作製と培養、および内腔が実際に空いているかの確認に成功した。3)細胞の光学的手法を用いた機能解析(庄子・竹山・関口・水野):前年度に引き続き細胞やDNA等にあらかじめ光学的に観察可能なマーカーを付与してから培養等を行い、その後解析を行うことで、メタゲノムに関する新たな知見を得ることに成功した。4)各種パッケージング技術の検討(水野・関口):マイクロ流体デバイスの作製には各種材料の直接接合技術の確立が不可欠であり、本年度も引き続き接合技術の検討とパッケージングへの応用を行い、システム化に不可欠な技術を確立した。
【連携研究者】早稲田大学・助教:モリ テツシ、助教:細川 正人(細胞・バクテリア関連アプリケ ーション)ナノ理工学研究機構 助教:尹 棟鉉(マイクロドロップレット作製デバイスの開発)、埼玉大学・助教:鈴木美穂、福田 武司(バイオプローブの合成と評価)、東京大学・教授:船津 高志(生体たんぱく質の解析)、早稲田大学・准教授:武田 直也(細胞から組織への再構成)

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

H26年度は、前年度に引き続き、試作した要素素子をシステム化してプロトタイプを作製し、実際の細菌等微小サンプルを使用した実証実験を行い、得られた結果を各要素技術にフィードバックし改良と試作を繰り返す事を目的として研究を進めた。特に、本システムでの処理が適当であると思われるサンプルを選び出し、既存システムとの比較実験等を行う事も一つの目標とした。三次元シースフローデバイスシステムを応用した人工血管の作製と培養、各種ドロップレット操作技術の開発と応用システムによるメタゲノムの機能解析、単一細胞アポトーシスのリアルタイムイメージングに使用するバイオプローブ自体のマイクロ流体デバイス内での合成に成功したことなど、マイクロ流体デバイスのシステム応用として当初の目的以上の成果が得られ、それぞれに該当する学会発表や論文等の外部への情報発信も的確に行ったと判断している。
更に、本研究を発展させ、マイクロ流路内で金属錯体含有たんぱく質の化学合成を行い、従来法と比較した場合、反応速度や収率の点で圧倒的なアドバンテージがあることを示したことは、従来とは違う分野への応用として、大きな成果だと判断している。

今後の研究の推進方策

今後は、前年度までに確立したマイクロ流体デバイスシステムを用いて、各種応用での評価を行い、本研究における当初の目的の達成度を確認する。具体的な研究予定は以下のとおりである。1)ドロップレット関連技術のシステム応用:当研究グループが確立済のドロップレット操作システム(生成・分割・融合)を用いて、ドロップレットに生体分子・細菌等を閉じ込め、培養・観察等を行い 、具体的性能評価を実施する。2)三次元シースフロー関連技術のシステム応用:三次元シースフロー作製システム用いて、バイオサンプルの選択的流し分けや、組織の再構築等を行い、その性能を評価する。3)細胞の光学的手法を用いた機能解析:細胞やDNA等にあらかじめ光学的に観察可能なマーカーを付与してからマイクロ流体デバイスシステムを用いて培養等を行い、その後外界からの刺激に対する反応を観察することで、従来より詳細な細胞の機能解析を行う。4)各種パッケージング技術の検討:マイクロ流体デバイスの作製とシステム化には各種直接接合技術の確立が不可欠であり、本年度も引き続き接合技術の検討検討とパッケージングへの応用を試みる。
最終年度にあたり、5年間のまとめとして上記項目に関して最終評価を行い、本研究の到達点を確認するとともに、5年間の成果について情報発信することを目的とする。
【連携研究者】H27年度は下記のものを連携研究者として追加する予定である。早稲田大学・理工学術院助教:細川 正人(細胞・バクテリア関連アプリケ ーション)ナノ理工学研究機構 助教:尹 棟鉉(マイクロドロップレット作製デバイスの開発)、埼玉大学 理工学研究科 助教:鈴木美穂、福田 武司(バイオプローブの合成と評価)、東京大学大学院薬学系研究科 教授:船津 高志(生体たんぱく質の解析)、早稲田大学・理工学術院・准教授:武田 直也(細胞から組織への再構成)

  • 研究成果

    (40件)

すべて 2015 2014 2011 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 7件、 謝辞記載あり 7件) 学会発表 (30件) (うち招待講演 10件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Hybrid Au-Adhesive Bonding Using Planar Adhesive Structure for 3-D LSI2014

    • 著者名/発表者名
      M. Nimura, J. Mizuno, S. Shoji, K. Sakuma, H. Ogino, T. Enomoto, A, Shigetou
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology

      巻: Vol.4 ページ: 762, 768

    • DOI

      10.1109/TCPMT.2014.2311094

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Active Microdroplet Merging by Hydrodynamic Flow Control Using a Pneumatic Actuator-Assisted Pillar Structure2014

    • 著者名/発表者名
      D.H. Yoon, A. Jamshaid, J. Ito, A. Nakahara, D. Tanaka, T. Akitsu, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 雑誌名

      Lab on a Chip

      巻: 2014 ページ: 3050, 3055

    • DOI

      10.1039/c4lc00378k

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Real-Time Monitoring of Chemical Reaction in Microdroplet Using Fluorescence Specctroscopy2014

    • 著者名/発表者名
      T. Fukuda, N, Funaki, T. Kurabayashi, M. Suzuki, D.H. Yoon, A. Nakahara, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 雑誌名

      Sensors and Actuators B

      巻: 203 ページ: 536, 542

    • DOI

      10.1016/j.snb.2014.06.045

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Development of an Electrohydrodynamic Ion-Drag Micropump Using Three-Dimensional Carbon Micromesh Electrodes2014

    • 著者名/発表者名
      D.H. Yoon, H. Sato, A. Nakahara, T. Sekiguchi,, S. Konishi, S. Shoji,
    • 雑誌名

      Journal of Micromechanics and Microengineering

      巻: 24

    • DOI

      10.1088/0960-1317/24/9/095003

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Droplet-Based Microfluidics for High-Throughput Screening of a Metagenomic Library for Isolation of Microbial Enzymes2014

    • 著者名/発表者名
      M. Hosokawa, Y. Hoshino, Y. Nishikawa, T. Hirose, D.H. Yoon, T. Mori, T. Sekiguchi, S. Shoji, H. Takeyama
    • 雑誌名

      Biosensors and Bioelectronics

      巻: なし

    • DOI

      10.1016/j.bios.2014.08.059

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Selective Droplet Sampling Using a Minimum Number of Horizontal Pneumatic Actuators in a High Aspect Ratio and Highly Flexible PDMS Device2014

    • 著者名/発表者名
      D. H. Yoon, D. Wakui, A. Nakahara, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 雑誌名

      RSC Advances 2015

      巻: 5 ページ: 2070, 2074

    • DOI

      10.1039/c4ra11254g

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Chemical Reaction in Microdroplets with Different Sizes Containing CdSe/ZnS Quantum Dot and Organic Dye2014

    • 著者名/発表者名
      T. Fukuda, T. Kurabayashi, H. Udaka, N. Funaki, M. Suzuki, D.H. Yoon, A. Nakahara, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 雑誌名

      IEICE TRANS. ELECTRON

      巻: Vol. E98-C ページ: 123, 126

    • DOI

      10.1587/transele.E98.C.123

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 化学・バイオ・医療への応用を目的とした3次元微細加工2014

    • 著者名/発表者名
      庄子習一
    • 雑誌名

      バイオマテリアル

      巻: Vol. 32 ページ: 256, 263

  • [学会発表] マイクロ流体デバイスを用いたキラルサレン型Mn(II), Co(II)錯体含有リゾチームの高効率合成2015

    • 著者名/発表者名
      田中大器、村越弓莉、津田恵梨香、光本雄哉、尹棟鉉、関口哲志、庄子習一、秋津貴城
    • 学会等名
      日本化学会第95春季年会
    • 発表場所
      千葉
    • 年月日
      2015-03-26 – 2015-03-29
  • [学会発表] 微小液滴中の量子ドット一色素結合体の高速合成及び反応速度の定量化2015

    • 著者名/発表者名
      宇高光、倉林智和、福田武司、Yoon Dong Hyun、鎌田憲彦、鈴木美穂、中原旭、関口哲志、庄子習一
    • 学会等名
      第62回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      平塚
    • 年月日
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [学会発表] MEMS3次元加工技術による化学・生化学応用機能デバイス2015

    • 著者名/発表者名
      庄子習一、尹棟鉉、伊藤潤一、沼宮内聡、関口哲志
    • 学会等名
      第5回6大学6研究所連研プロジェクト公開討論会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-03-02
    • 招待講演
  • [学会発表] Highly Controllable Three-Dimensional Sheath Flow Device for Fabrication of Artificial Capillary Vessels2015

    • 著者名/発表者名
      J. Ito, R. Sekine, D.H. Yoon, Y. Nakamura, H. Oku, H. Nansai, T. Chikasawa, T. Goto, T. Sekiguchi, N. Takeda, S. Shoji
    • 学会等名
      The 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2015)
    • 発表場所
      Estoril, Portugal
    • 年月日
      2015-01-18 – 2015-01-22
  • [学会発表] One Core-Five Sheaths Coaxial Flow Formation Using Multilayer Stacked Flow Focusing Structure2015

    • 著者名/発表者名
      D.H. Yoon, J. Ito, N. Takeda, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 学会等名
      The 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2015)
    • 発表場所
      Estoril, Portugal
    • 年月日
      2015-01-18 – 2015-01-22
  • [学会発表] マイクロフルイディック エンジニアリング2014

    • 著者名/発表者名
      庄子習一
    • 学会等名
      東北大学ベンチャービジネス・ラボラトリー発足20年記念シンポジウム
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2014-12-22
    • 招待講演
  • [学会発表] Wide Range Dynamic Volume Ratio and Size Control of Microdroplets Using Active Droplet Division Device2014

    • 著者名/発表者名
      J. Ito, D.H. Yoon, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 学会等名
      Waseda University & Singapore Polytechnic Joint Symposium 2014 on “Advanced Materials“
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-12-05
  • [学会発表] Active Sequential Merging of Two Reagents Isolated in Micro Droplets in Multiple Ratios2014

    • 著者名/発表者名
      A. Jamshaid, D.H. Yoon, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 学会等名
      Waseda University & Singapore Polytechnic Joint Symposium 2014 on “Advanced Materials“
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-12-05
  • [学会発表] Droplets Handling in Micrometer Scale Channels for Bio/Chemical Applications2014

    • 著者名/発表者名
      S. Shoji
    • 学会等名
      Waseda University & Singapore Polytechnic Joint Symposium 2014 on “Advanced Materials”
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-12-05
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantitative Analysis of Chemical Reaction in Microdroplets with Different Sizes Containing CdSe/ZnS Quantum Dot and Organic Dye2014

    • 著者名/発表者名
      T. Fukuda, T. Kurabayashi, H. Udaka, D.H. Yoon, M. Suzuki, A. Nakahara, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 学会等名
      2014 MRS (Material Research Society) Fall Meeting
    • 発表場所
      Boston, USA
    • 年月日
      2014-11-30 – 2014-12-05
  • [学会発表] Microfluidic Handling of Small Samples Using Miniaturized Devices and Systems2014

    • 著者名/発表者名
      D. H. Yoon, J. Ito, S. Numakunai, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 学会等名
      The 5th International Symposium on Advanced Materials Development and Integration of Novel Structured Metallic and Inorganic Materials (AMDI-5) Conjunction with 6th IBB Frontier Symposium
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-11-19
    • 招待講演
  • [学会発表] Microdroplet Based Fluidic Devices and Systems for Bio/Chemical Analysis2014

    • 著者名/発表者名
      S. Shoji, D.H. Yoon, T. Sekiguchi
    • 学会等名
      10th International Symposium on Electrochemical Micro & Nanosystem Technologies (EMNT 2014)
    • 発表場所
      沖縄
    • 年月日
      2014-11-08
    • 招待講演
  • [学会発表] Droplet-Based Microfluidics for High-Throughput Screening of a Metagenomic Library2014

    • 著者名/発表者名
      M. Hosokawa, Y. Hoshino, Y. Nishikawa, T. Hirose, D.H. Yoon, T. Mori, T. Sekiguchi, S. Shoji, H. Takeyama
    • 学会等名
      10th International Symposium on Electrochemical Micro & Nanosystem Technologies (EMNT 2014)
    • 発表場所
      沖縄
    • 年月日
      2014-11-05 – 2014-11-08
  • [学会発表] Digital/Analog Micro Fluidic Devices and Systems for Bio/Chenical Applications - Symmetry between Integrated Circuits and Micro Fluidic Systems2014

    • 著者名/発表者名
      S. Shoji, T. Sekiguchi , D.H. Yoon
    • 学会等名
      IEEE CPMT Symposium Japan 2014
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2014-11-04
    • 招待講演
  • [学会発表] Sensitive Fluorescence-Activated Sorting of Microdroplets Containing Subcellular Structures by Thermoreversible Gelation Polymer2014

    • 著者名/発表者名
      H. Okada, A. Iguchi, R. Iizuka, D.H. Yoon, T. Sekiguchi, S. Shoji, T. Funatsu
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2014)
    • 発表場所
      San Antonio, Texas, USA
    • 年月日
      2014-10-26 – 2014-10-30
  • [学会発表] High-Throughput Single-Cell Secretion Measurement on an Optical Waveguide Chip2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Shirasaki, N. Suzuki, M. Yamagishi, A. Nakahara, S. Shoji, O. Ohara
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2014)
    • 発表場所
      San Antonio, Texas, USA
    • 年月日
      2014-10-26 – 2014-10-30
  • [学会発表] Peptide-Based Ligand Screening System for G. Protein-Coupled Receptors Using Water-In-Oil Microdroplets2014

    • 著者名/発表者名
      T. Sakurai, R. Iizuka, R. Sekine, Y. Nakamura, D.H. Yoon, T. Sekiguchi, J. Ishii, A. Kondo, S. Shoji, T. Funatsu
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2014)
    • 発表場所
      San Antonio, Texas, USA
    • 年月日
      2014-10-26 – 2014-10-30
  • [学会発表] Fast and Simultaneous Analysis of Phenylalanine and Tyrosine in Plasma Using Pillar Array Columns with a Gradient Elution System2014

    • 著者名/発表者名
      M. Isokawa, Y. Song, K. Takatsuki, T. Sekiguchi , J. Mizuno, T. Funatsu, S. Shoji, M. Tsunoda
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2014)
    • 発表場所
      San Antonio, Texas, USA
    • 年月日
      2014-10-26 – 2014-10-30
  • [学会発表] UVナノインプリントと異方性ウェットエッチングの組み合わせによるナノスケール極微細構造の作製2014

    • 著者名/発表者名
      桑江博之、岡田愛姫子、笠原崇史、庄子習一、水野潤
    • 学会等名
      第31回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • 発表場所
      松江
    • 年月日
      2014-10-20 – 2014-10-22
  • [学会発表] Volume Controllable Sequential Generation of Three Different Reagents Incubated in Micro Droplets for Digital Flow Synthesis2014

    • 著者名/発表者名
      A. Jamshaid, D.H. Yoon, T. Sekiguchi, S. Shoji
    • 学会等名
      2nd International Conference on Microfluidic Handling Systems (MFHS 2014)
    • 発表場所
      Freiburg, Germany
    • 年月日
      2014-10-08 – 2014-10-10
  • [学会発表] Porous Pillar Array Formation Using Isotropic Xenon Difluoride Etching for Liquid Chromatography Microchip2014

    • 著者名/発表者名
      K. Shih, M. Isokawa, T. Kanamori, D.H. Yoon, T. Sekiguchi, J. Mizuno, T. Funatsu, M. Tsunoda, S. Shoji
    • 学会等名
      2nd International Conference on Microfluidic Handling Systems (MFHS 2014)
    • 発表場所
      Freiburg, Germany
    • 年月日
      2014-10-08 – 2014-10-10
  • [学会発表] High Throughput Micro/Nano Systems for Chemical and Biochemical Applications2014

    • 著者名/発表者名
      S. Shoji, D.H. Yoon, A. Nakahara, J. Mizuno, T. Sekiguchi
    • 学会等名
      The 18th Nano Engineering and Microsystem Technology Conference (NMC 2014)
    • 発表場所
      Tainan, Taiwan
    • 年月日
      2014-08-21
    • 招待講演
  • [学会発表] High Yield Micro Fluidic Synthesis of Metal Complex Containing Proteins2014

    • 著者名/発表者名
      D. Tanaka, D.H. Yoon, T. Sekiguchi, S. Shoji, T. Akitsu
    • 学会等名
      The 6th International Symposium on Microchemistry and Microsystems (ISMM 2014)
    • 発表場所
      Singapore
    • 年月日
      2014-07-30 – 2014-08-01
  • [学会発表] In Channel Microdroplet Handling Devices for Precise Bio/Chemical Analysis and Synthesis2014

    • 著者名/発表者名
      S. Shoji, D.H. Yoon, J. Ito, S. Numakunai, T. Sekiguchi
    • 学会等名
      The 6th International Symposium on Microchemistry and Microsystems (ISMM 2014)
    • 発表場所
      Singapore
    • 年月日
      2014-07-30
    • 招待講演
  • [学会発表] ハード&ソフトMEMSの加工技術とその応用2014

    • 著者名/発表者名
      庄子習一
    • 学会等名
      文部科学省 先進環境材料・デバイス創製スクール(GRENE)主催「MEMS・ナノテクの基礎と応用講座」
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-07-22
    • 招待講演
  • [学会発表] Fabrication of Superhydrophilic Silica Nanostructure Using Simple Photolithography and Dry Etching for Self-Cleaning Glass2014

    • 著者名/発表者名
      T. Sudo, J. Mizuno, S. Shoji
    • 学会等名
      The 7th Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro/Nano Technologies (APCOT 2014)
    • 発表場所
      Daegu, Korea
    • 年月日
      2014-06-29 – 2014-07-02
  • [学会発表] Real-Time Monitoring of Chemical Reaction in Microdroplet with Quantum Dot and Dye Using Fluorescence Spectroscopy2014

    • 著者名/発表者名
      T. Fukuda, N. Funaki, T. Kurabayashi, M. Suzuki, D,H, Yoon, A. Nakahara, T, Sekiguchi, S. Shoji
    • 学会等名
      The 8th International Symposium on Organic Molecular Electronics (ISOME 2014)
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-05-15 – 2014-05-16
  • [学会発表] MEMS技術動向:世界のMEMS関連学会の発表からビジネス注目分野を推測2014

    • 著者名/発表者名
      庄子習一
    • 学会等名
      TIA N-MEMSシンポジウム / MEMS協議会フォーラム(ナノ・マイクロ ビジネス展)
    • 発表場所
      横浜
    • 年月日
      2014-04-25
    • 招待講演
  • [学会発表] Fine-Pitch Hybrid Bonding with Cu/Sn Microbumps and Adhesive for High Density 3D Integration2014

    • 著者名/発表者名
      M. Ohyama, J. Mizuno, S. Shoji, M. Nimura, T. Nonaka, Y. Shinba, A. Shigetou
    • 学会等名
      2014 International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2014)
    • 発表場所
      富山
    • 年月日
      2014-04-23 – 2014-04-25
  • [学会発表] Room-Temperature Direct Bonding of Graphene Films by Means of Vacuum Ultraviolet (VUV)/Vapor-Assisted Method (IEEE CPMT Japan Chapter Young Award受賞)(2014

    • 著者名/発表者名
      M. Ajayan, A. Shigetou, J. Mizuno, S. Shoji
    • 学会等名
      2014 International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2014)
    • 発表場所
      富山
    • 年月日
      2014-04-23 – 2014-04-25
  • [備考] マイクロフルイディックエンジニアリングの深化と生体分子高感度定量計測への展開

    • URL

      http://www.all-nano.waseda.ac.jp/kiban_s/index.html

  • [産業財産権] 細胞培養容器及びその容器を用いた細胞培養方法2011

    • 発明者名
      務中達也、阿部浩久、叶井正樹、前川平、木村晋也、庄子習一
    • 権利者名
      ㈱島津製作所、京都大学、早稲田大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特許第5703302
    • 出願年月日
      2011-07-08
    • 取得年月日
      2015-02-27

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公開日: 2016-06-01  

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