2020 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of multiple micro interfaces using 3D microfluidic devices and application to functional chemical reactions
| Project/Area Number |
20H00336
|
|---|
| Research Institution | Waseda University |
|---|
Principal Investigator |
庄子 習一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00171017)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水野 潤 早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, 上級研究員(研究院教授) (60386737)
関口 哲志 早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, 上級研究員(研究院教授) (70424819)
秋津 貴城 東京理科大学, 理学部第二部化学科, 教授 (80348812)
古谷 正裕 早稲田大学, 理工学術院, 教授(任期付) (80371342)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 多重微小界面 / マイクロ流体デバイス |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は新規マイクロ流体デバイスの設計と試作、予備実験を行った。詳細は下記の通りである。
①多重微小界面を形成可能なマイクロ流体デバイスの設計と製作工程の確立：研究代表者がこれまで確立してきたSOFT MEMS技術の応用であるPDMS等の多層薄膜積層技術を改良してマイクロ流体デバイスを試作した。特に、従来の二次元重ね合わせ構造から、三次元立体構造への設計変更をはかり、より理想に近い多重微小界面の構築が可能なマイクロ流体デバイスを試作した。また、マイクロ液滴のテーリングや不均一分割が可能なマイクロ流体デバイスを試作し、より微小かつ多量に生成可能な液液界面の形成に成功した。
②多重微小界面を利用した複合合成反応の実施と観察：従来までの研究代表者の研究では、主にバイオ応用を目的としていたため、マイクロ流体デバイスは水/油界面の形成を目的として設計されていた。しかし、実際の化学反応は有機溶媒系で行われることが多く、今年度は有機溶媒系微小界面が実際に生成可能かについて検討した。その結果、通常の化学合成で常用される8種類の有機マイクロ液滴の生成に成功し、複合合成反応の実施にめどをつけた。
③多重微小界面と流れ制御を利用した三次元結晶化制御・光学異性反応の可能性の追求：これまでの研究により、単一微小界面を用いた結晶化反応では、界面に沿って結晶が形成されていくことが確認されている。本年度はマイクロ液滴を用いてこの界面を自由に回転させることにより、光学異性体の合成のプラットフォームとなるマイクロ流体デバイスの開発に取り組んだ。その結果2層流とマイクロ液滴を組み合わせることにより、液滴の回転制御が可能な事を見出した。また、マイクロ流体界面の動きはAIと機械学習で把握する手段を新規に開発した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
①新規マイクロ流体デバイスの開発：マイクロ流体デバイスについて、従来の二次元重ね合わせ構造から、三次元立体構造を作製するためのプロセスを確立し、より理想に近い形状の多重微小界面の構築が可能なマイクロ流体デバイスの試作に成功した。また、マイクロ液滴のテーリングや不均一分割が可能なマイクロ流体デバイスの試作に成功し、より微小かつ多量に生成可能な液液界面の形成に成功した。これらの成果はμTAS2000の学会で報告しており、従来にないオリジナリティのあるデバイスの開発に成功した。
②有機溶媒を用いたマイクロ液滴の生成：実際の化学反応は有機溶媒系で行われることが多いが、有機溶媒系微小界面が実際に生成可能かについて体系的に検討された例は過去にほとんどない。本研究では、通常の化学合成で常用される8種類の有機マイクロ液滴の生成に成功し、複合合成反応の実施にめどをつけた。この成果は「Molecules 2020, 25, 5360; doi:10.3390/molecules25225360」で公開されており、きわめてオリジナリティの高い成果であると言える。
③マイクロ流体デバイスを応用した微小界面の回転制御と解析：マイクロ液滴を用いてこの界面を自由に回転させることにより、光学異性体の合成のプラットフォームとなるマイクロ流体デバイスの開発に取り組み、2層流とマイクロ液滴を組み合わせることにより、液滴の回転制御が可能な事を見出した。本成果は本研究のオリジナルであり、現在学会発表準備中である。また、マイクロ流体界面の動きをAIと機械学習を応用したセマンティックセグメンテーションと呼ばれる技術で解析し、きわめて効率的に画像解析可能な手段を新規に開発した。この手法は本研究だけでなく汎用性の高いものであり、きわめて有意義な成果と言える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後は、前年度に確立したマイクロ流体デバイスの設計・作製技術、多重微小界面生成技術、及び微小界面コントロール技術を用いて、実際の化学合成反応の実施とその結果生成される化合物の化学的・物理的評価を行い、本研究における当初の目的を達成するよう研究を推進する。具体的な研究計画は以下のとおりである。
①多重微小界面を安定に形成可能なマイクロ流体デバイスの設計と製作工程・実験系の確立：代表者は既に前年度までに多重微小界面を生成可能な数種類のデバイスの開発に成功しているが、安定動作の確立には至っていない。本年度は微小界面生成の再現性を第一優先とし、実験系やデバイス材料を含めて安定かつ再現性のある反応系を確立する。
②多重微小界面と流れ制御を利用した三次元結晶化制御・光学異性反応の可能性の追求：代表者が前年度に見出した多重微小界面の多重層流による回転コントロールを応用した光学異性体の選択的合成の可能性について追及する。また、多重微小界面の混合、融合、分離等の方法について、流体コントロールと外力（電場、磁場等）を用いた場合について検討する。多重微小界面の詳細挙動の把握については、ソフトウエアによるAIと機械学習を活用する。
③多重微小界面を利用して合成した新規化学物質の観察技術の確立：既に前年度にマイクロ流体デバイスを用いた化学反応系の準備は一次試作レベルでは整っているので、本年度は実際の化学合成を行い、従来技術では不可能であった合成物の生成にチャレンジする。特に合成物のインラインでの反応の過程について解析を行うため、マイクロ流体デバイス内での合成物のラマン分光・赤外分光・可視分光等の観察方法について検討する。
|
