定価 本体54,000円＋税 発行 2009年1月 体裁 B5ｹｰｽ入りﾊｰﾄﾞｶﾊﾞｰ上製ｶﾗｰ5頁＋472頁 編集 北森武彦（東京大学） ISBN 978−４−907837−17−4　C3058

15、マイクロ・ナノ化学チップと医療・環境・バイオ分析

は　じ　め　に

■発刊にあたって（本書第一編より一部紹介） 　手の平サイズの基板の上にマイクロメートルスケールの溝を刻んで、その上にさまざまな化学分析や化学合成、バイオ実験などの操作を集積化するマイクロ化学やマイクロバイオの研究が注目され始めて既に20年近く経過する。従来はフラスコやビーカーあるいは反応槽や蒸留塔などの器具や装置を使っていた化学反応・分離・精製・検出などの化学操作をマイクロ空間に自由自在に集積化することで、操作に必要だった時間や手間を大幅に軽減でき、また、分析やバイオにあっては試料や試薬量の低減、化学合成にあってはエネルギーや分子あるいは電子移動などを高効率化など、さまざまな効果を引き出すことがでる。さらに、チップやチャネルを並列化することで分析やバイオのプロセスをハイスループットにしたり化学合成品の大量生産にも対応することができ、直列に配置することでマルチステップの複雑なプロセスにも対応することができる。応用範囲は化学、バイオ、医療、環境、農林水産、食品など極めて広範囲にわたる。（中略） 　2000年前後からもっと広い範囲で応用できる汎用的なマイクロ集積化の方法論の研究が日本を中心に推進されてきた。流体制御では電気浸透流から圧力送液をベースとした方法とそれを支える技術が開発された結果、有機溶媒や中性分子にも適用範囲が拡大した。有機溶媒と水溶液の二層流・多層流やドロップレットの技術に急速に展開していく。電気泳動分離のみならず、溶媒抽出やクロマトグラフィー、抗原抗体反応と免疫化学的分離など、さまざまな分離化学や分析原理も自由に取り入れることができるようになった。また、検出法についても電気化学検出や化学発光検出、熱レンズ顕微鏡、質量分析計をはじめ、蛍光法以外のさまざまな方法が開発され取り入れられてきている。実際に、実用化あるいはそれに近い開発例の報告は、2000年以降のこうした汎用的なマイクロ集積化の手法とその応用が圧倒的多数を占めるに至っており、細胞の培養・制御・分析などバイオ関連分野への新しい展開が世界的にも非常に活発である。また、我が国においては、各省庁や研究助成機関の支援による産官学連携が進んだ結果、実用化目前のプロトタイプシステムも実現している。 　以上のような背景をふまえて、本書は「動作と原理（全７章）」「材料微細加工技術（全５章）」「検出（全４章）」「応用技術（全17章）」「企業のアプローチ（全５章）」全６編により最新かつ先端の技術と応用の全体像が明らかになるように構成した。

執筆者一覧（執筆順） 北森　武彦 東京大学大学院工学系研究科 馬渡　和真 （財）神奈川科学技術アカデミー（KAST） 渡慶次　学 名古屋大学大学院工学研究科 庄子　習一 早稲田大学理工学術院 草壁　克己 福岡女子大学人間環境学部 火原　彰秀 東京大学生産技術研究所 金　幸夫　 茨城大学理学部 鳥居　徹　 東京大学大学院新領域創成科学研究科 関　　実 千葉大学大学院工学研究科 内山　堅慈 日本板硝子（株）ＩＴ事業本部 中西　久雄 住友ベークライト（株）Ｓ−バイオ開発部 吉田　敏雄 フルイドウェアテクノロジーズ（株） 沢村　立彦 モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社 藤田　博之 東京大学生産技術研究所 塚原　剛彦 東京工業大学原子炉工学研究所 末永　智一 東北大学大学院環境科学研究科 宮原　裕二 （独）物質・材料研究機構生体材料センター／東京大学大学院工学系研究科 栗田　僚ニ （独）産業技術総合研究所生物機能工学研究部門 丹羽　修　 （独）産業技術総合研究所生物機能工学研究部門 岡本　行広 名古屋大学大学院工学研究科 加地　範匡 名古屋大学大学院工学研究科 馬場　嘉信 名古屋大学大学院工学研究科 佐藤　香枝 東京大学大学院工学系研究科 加藤　大　 東京大学大学院薬学系研究科 佐藤　記一 東京大学大学院農学生命科学研究科 民谷　栄一 大阪大学大学院工学研究科 安田　賢二 東京医科歯科大学生体材料工学研究所 田中　陽　 東京大学大学院工学系研究科 糸賀　和義 東京女子医科大学先端生命医科学研究所 岡野　光夫 東京女子医科大学先端生命医科学研究所 久本　秀明 大阪府立大学大学院工学研究科 竹内　昌治 東京大学生産技術研究所 佛坂　裕泰 東京工業大学原子炉工学研究所 池田　泰久 東京工業大学原子炉工学研究所 上野　雅晴 東京大学大学院理学系研究科 小林　修 東京大学大学院理学系研究科 中村　浩之 （独）産業技術総合研究所ナノテクノロジー研究部門 北川　文彦 京都大学大学院工学研究科 大塚　浩二 京都大学大学院工学研究科 飯野　亮太 大阪大学産業科学研究所 野地　博行 大阪大学産業科学研究所 高橋　豊 日本電子（株）開発本部 大橋　俊則 マイクロ化学技研（株） 中西　博昭 （株）島津製作所基盤技術研究所 八谷　宏光 東亜ディーケーケー（株）開発本部 矢澤　義昭 （株）日立製作所中央研究所 岡　弘章 パナソニック（株）バイオ技術開発室

■第１編　マイクロ化学チップ研究開発の現状と展望‥‥‥‥馬渡和真，北森武彦
■第２編　マイクロ化学チップの動作と原理
【第１章】マイクロ化学チップの特性と動作性‥‥‥‥渡慶次　学
１．はじめに
２．マイクロチャネル内の流体特性
３．マイクロ空間：マイクロチャネル
４．マイクロ空間：表面張力・界面張力
５．おわりに
【第２章】マイクロ流体デバイス‥‥‥‥庄子習一
１．はじめに
２．Microfluidics
３．マイクロ流体制御デバイス
　３−１．マイクロバルブ
　　（１）受動型マイクロバルブ
　　（２）能動型マイクロバルブ
　３−２．マイクロポンプ
　　（１）機械式マイクロポンプ
　　（２）電圧駆動型マイクロポンプ
４．おわりに
【第３章】マイクロリアクター‥‥‥‥草壁克己
１．はじめに
２．マイクロリアクターの分類
３．マイクロリアクターを用いた液相反応
４．マイクロリアクターを用いた気相反応
５．おわりに
【第４章】流体制御‥‥‥‥火原彰秀
１．マイクロ流体の特徴
２． マイクロ流体中の拡散現象とミキサー・フィルター
３．マイクロ多相流
４．マイクロ流体における圧力バランスモデル
５．マイクロ多相流制御の例
６．まとめ
【第５章】表面修飾‥‥‥‥金　幸夫
１．マイクロ・ナノ化学チップの表面 　
　１−１．ガラス表面
　１−２．その他の材料表面
２．表面修飾法
３．修飾表面の利用
　３−１．吸着制御
　３−２．濡れ性の制御
　３−３．触媒反応
【第６章】液滴生成技術‥‥‥‥鳥居　徹
１．はじめに
２．液滴生成実験
　２−１．実験装置
　２−２．実験結果
　２−３．多相エマルション生成
３．おわりに
【第７章】粒子ハンドリング‥‥‥‥関　実
１．はじめに
２．水力学的な粒子操作
　２−１． ピンチド・フロー・フラクショネーション（Pinched Flow Fractionation：PFF）法
　２−２．水力学的濾過（Hydrodynamic filtration：HDF）法
　２−３．決定論的側方置換（Deterministic Lateral Displacement）法
　２−４．水力学的クロマトグラフィー（Hydrodynamic chromatography）
３．電場を利用した粒子操作
　３−１．電気泳動
　３−２．誘電泳動
４．音場を利用した粒子操作
５．光場を利用した粒子操作
６． その他の外部場を利用した細胞ハンドリング方法
７．その他の粒子ハンドリング方法
８．おわりに
■第３編　材料微細加工技術
【第１章】ガラス‥‥‥‥内山堅慈
１．緒言
２．マイクロ化学チップに用いられるガラス材料
　２−１．石英
　２−２．硼珪酸ガラス
　２−３．無アルカリガラス
　２−４．その他
３．ガラス基板の外形仕様
　３−１．外形寸法
　３−２．表面粗さ 　
　３−３．反り
４．マイクロ化学チップ作製に必要な環境と設備　
　４−１．クリーンルーム，イエロールーム
　４−２．超純水製造装置
　４−３．スパッタ装置
　４−４．マスクアライナー
　４−５．その他
５．マイクロ化学チップの作製方法
　５−１．ガラス基板のアニール（熱処理）
　５−２．ガラス基板の洗浄
　５−３．成膜
　５−４．フォトレジスト塗布
　５−５．プリベーク
　５−６．フォトリソグラフィー
　５−７．エッチング（１）
　５−８．エッチング（２）
　５−９．フォトレジスト，保護膜除去
　５−10．ガラス基板接合
６．ウェットエッチング加工の応用
７．おわりに
【第２章】プラスチック‥‥‥‥中西久雄
１．はじめに
２．マイクロ化学チップに使用されるプラスチック材料
３．微細流路加工
　３−１．切削加工法
　３−２．ホットエンボス加工法
　３−３．射出成形法
４．接合
　４−１．熱融着
　４−２．接着剤による接着
５．表面処理
６．流体制御素子
７．おわりに
【第３章】PDMS（シリコーンゴム）‥‥‥‥吉田敏雄，沢村立彦
１．はじめに（PDMSとは）
　１−１．PDMSの歴史
　１−２．日本国内での実績
　１−３．PDMSチップの基本的な製作方法
　１−４． カスタムオーダーから量産へ（ディスポタイプが絶対条件）
２．PDMSの特長
　２−１．安価なレジスト型での量産
　２−２．粘着性（自己吸着力）が強い為，流路形成が容易
　２−３．温度による硬さ変化が少なくバイオチップに最適
　２−４．用途，研究目的により，最適な材質を選択
３．安価なレジスト型での量産
　３−１．PDMSの転写精度
　３−２．PDMSの成形性
　　（１）縮合反応型
　　（２）付加反応型Ｂ
　　（３）加熱付加型Ｃ
　３−３．PDMSの加工方法
　　（１）注型方法
　　（２）簡易射出法
　　（３）液状射出成形システム
　　（４）金型
４．粘着性（自己吸着力）
５． 温度による硬さ変化が少なくバイオチップに最適
　５−１．PDMSの組成
６．用途，目的により最適な材質の選択
　６−１．透明性
　６−２．粘度
　６−３．粘着性
　６−４．硬さ
　６−５．硬化性
７．今後の課題
　７−１．チップの加工
　７−２．親水性表面処理
【第４章】シリコンと関連材料‥‥‥‥藤田博之
１．シリコンの材料としての利点
　１−１．加工法が確立されている利点
　１−２．異なった機能の集積化ができる利点
　１−３．インフラ構造が整っている利点
　１−４．シリコンの欠点
２．加工法
　２−１．成膜技術と表面改質
　２−２．エッチング技術
　　（１）エッチング用の液やガスとエッチングマスク
　　（２）異方性ドライエッチング 　　（３）異方性ウェットエッチング
　　（４）犠牲層エッチング技術
　２−３．基板接合技術
　２−４． 真空封止片持ち梁型微細流路による振動バイオセンサ
３．集積化
４．シリコン微細加工のインフラ構造
　４−１．製造引き受けサービス
　４−２．設計解析ソフトウェア
【第５章】ナノ加工‥‥‥‥塚原剛彦
１．はじめに
２．ナノリソグラフィー
　２−１．スピンコート
　２−２．光露光
　２−３．電子線露光
　２−４．現像
３．エッチング
　３−１．RIE
　３−２．ICP-RIE
　３−３．NLD-RIE
４．ナノインプリントリソグラフィー
　４−１．熱サイクル
　４−２．光NIL
　４−３．ソフトNIL
５．ボンディング
６．ボトムアップ加工の融合
■第４編　検出
【第１章】レーザー・光検出‥‥‥‥馬渡和真
１．はじめに
２．吸光をベースとした方法
　１−１．吸光光度法
　１−２．熱レンズ顕微鏡
３．蛍光法
４．化学発光法
５．ラマン散乱法 ６．表面プラズモン共鳴法
７．その他
【第２章】電気化学検出‥‥‥‥末永智一
１．はじめに
２．ディスク型マイクロ電極
　２−１．ディスク型マイクロ電極の特徴
　２−２．微小ディスクアレイ電極の挙動
　２−３． ディスク型マイクロ電極を用いた局所反応の評価
３．交互くし形マイクロ電極
　３−１．交互くし型電極の特徴
　３−２． 交互くし型電極のフロー系での電極応答
　３−３．修飾交互くし形電極の応答
４．走査型電気化学顕微鏡（SECM）
【第３章】電界効果トランジスタ（FET）応用技術‥‥‥‥宮原裕二
１．はじめに
２． 電界効果トランジスタによる分子認識反応検出の基本原理
３．分子認識反応の検出
　３−１．FETチップ
　３−２．DNAプローブの固定化
　３−３．ハイブリダイゼーション
　３−４．DNAバインダーとの反応
　３−５．DNA伸長反応
　３−６．FETの電気的特性の変化
４．遺伝子FETによる一塩基多型の検出
　４−１．ハイブリダイゼーション
　４−２．プライマー伸長反応によるSNP解析
５．遺伝子FETを用いたDNAシーケンシング
６．細胞トランジスタによるトランスポーター／基質相互作用の非侵襲解析
７．おわりに
【第４章】バイオセンサー‥‥‥‥栗田僚二，丹羽　修
１．はじめに
２．電気化学測定法をベースとした酵素センサー
３． 表面プラズモン共鳴法をベースとした酵素センサー
４．電気化学測定法をベースとした免疫センサー
５．表面プラズモン共鳴法をベースとした免疫センサー
■第５編　応用技術
【第１章】ナノテクノロジーを利用した超高性能DNA 解析手法‥‥‥‥岡本行広，加地範匡，渡慶次学，馬場嘉信
１．はじめに
２．超高速，ハイスループット解析可能なマイクロチップによる遺伝子解析
３．集積化マイクロチップによるDNA解析
４． トップダウン型ナノテクノロジーによるナノデバイス
５．ボトムアップ型によるナノデバイス
６．DNAの高感度検出の試み
７．DNA伸張技術の開発
８．おわりに
【第２章】マイクロ化学チップを用いたDNA 増幅法‥‥‥‥佐藤香枝
１．はじめに
２．マイクロ化学チップでPCRを行う利点
３．フロー反応システム
４．多数のチャンバーを持つパラレル分析
５．エマルジョンを用いた方法
６． Padlock/RCA法のマイクロ化学チップへの集積化
７．おわりに
【第３章】生体分子固定化マイクロチップ‥‥‥‥加藤　大
１．はじめに
２．ゲル調製条件の最適化及びゲルの微細構造解析
３．タンパク質のキャピラリー管への固定化
４．トリプシン固定化マイクロチップを用いたオンラインタンパク質消化・分析システムの開発
５．今後の展望
【第４章】イムノアッセイ・バイオアッセイ‥‥‥‥佐藤記一
１．マイクロチップイムノアッセイ
　１−１．イムノアッセイ
　１−２．マイクロチップイムノアッセイ
　１−３．マイクロチップイムノアッセイの例
２．マイクロチップバイオアッセイ
　２−１．バイオアッセイ
　２−２．マイクロチップでの細胞培養
　（１）　細胞の接着
　（２）　培地の供給
　（３）　細胞への操作
３．マイクロチップバイオアッセイの例
４．さらなる高性能化
【第５章】ドラックスクリーニングチップ‥‥‥‥民谷栄一
１．はじめに
２．マイクロチャンバーアレイ型細胞チップ
３．ペプチドライブラリーアレイチップを用いた神経成長因子のスクリーニング
４．ラベルフリー局在プラズモンナノデバイスを用いた細胞シグナルIL-2モニタリング
【第６章】オンチップセロミクス‥‥‥‥安田賢二
１．はじめに
２．オンチップセロミクス：構成的アプローチによる細胞からの生命システムの再構成
３．オンチップセロミクス計測のアプローチ(1)：オンチップセルソーター
４．オンチップセロミクス計測のアプローチ(2)：オンチップ細胞ネットワーク計測技術
５．オンチップセロミクス計測の応用技術(1)：細胞の同期現象における集団効果の理解
６．オンチップセロミクス計測の応用技術(2)：神経ネットワークをモデルとして
７．おわりに
【第７章】バイオマイクロアクチュエーター‥‥‥‥田中　陽
１．緒言
２．設計
３．心筋細胞による流体駆動の実証
　３−１．マイクロチップの作製
　３−２．心筋細胞シートの移植
　３−３．心筋細胞による流体駆動の確認
４．心筋細胞によるポンプ機能の実証
　４−１．逆止弁の作製
　４−２．心筋細胞によるポンプ機能の確認
　４−３．ポンプの性能評価
５．結言
【第８章】温度応答性表面のマイクロ化学チップへの応用‥‥‥‥糸賀和義，岡野光夫
１．はじめに
２．温度応答性培養皿と細胞シート工学
３．細胞シート工学の再生医療への応用
４．温度応答性表面のクロマトグラフィーへの応用
５．温度応答性表面によるマイクロ流体制御
　５−１．in situ合成によるマイクロインテリジェント表面の調製
　５−２． 温度制御型マイクロ流体on/offシステムの構築
　５−３． リビングラジカル重合法によるマイクロインテリジェント表面の調製
【第９章】多機能集積化学センシング‥‥‥‥久本秀明
１．はじめに〜マイクロチップ上多機能集積〜
２．キャピラリー-アセンブルド・マイクロチップ（CAs-CHIP）
　２−１．コンセプト
　２−２．作製法
　２−３．機能キャピラリーの設計指針
３．CAs-CHIPを用いた多機能集積化学センシング
　３−１．マルチイオンセンシング
　３−２． 流体制御型バイオセンシング・イムノアッセイ
　３−３．マルチ酵素活性・電解質アッセイ
４．おわりに
【第10章】リポソームアレイに向けたマイクロ流体技術‥‥‥‥竹内昌治
１．はじめに
２．マイクロナノ加工技術を利用したリポソーム調整法
　２−１　 マイクロエレクトロフォーメーション法
　２−２　 微細加工技術（MEMS技術）を利用した調整法（シャボン玉法）
３．リポソームのアレイ化のためのマイクロデバイス
４．まとめ
【第11章】原子力（核燃料サイクル）‥‥‥‥池田泰久，佛坂裕泰
１．はじめに
２．マイクロ化学チップを用いた分析法の再処理への応用
　２−１．背景
　２−２． マイクロ化学チップを用いた分析法の適用性検討
３．マイクロ化学チップを用いた核種分離
　３−１．背景
　３−２．マイクロ化学チップを用いた液−液抽出核種分離
４．おわりに
【第12章】マイクロリアクター・合成‥‥‥‥上野雅晴，小林　修
１．はじめに
２．マイクロ空間の合成化学的に期待される特徴
３．安全性の高い合成
　３−１． 毒性化合物のオンサイト・オンデマンド合成
　３−２．危険な反応の安全な取り扱い
４．マイクロフロー型光反応
５．選択的な合成
　５−１．過剰反応の抑制
　５−２．反応時間制御による段階的反応の制御
６．機能性触媒の導入
　６−１．表面改質による触媒の固定化
　６−２．チャネル内高分子膜の合成と触媒担持
７．今後の展望
【第13章】マイクロ空間場によるナノ粒子合成‥‥‥‥中村浩之
１．はじめに
２．マイクロリアクターによるナノ粒子合成の意義
３．マイクロリアクターによるCdSdナノ粒子の合成
４．ハイブリッドナノ粒子の合成と制御
５．おわりに
【第14章】マイクロチップを用いる分離システム‥‥‥‥北川文彦，大塚浩二
１．はじめに
２．マイクロチップ電気泳動
　２−１．電気泳動チップの構造と分析操作
　２−２．ナノチャネルを用いたMCE分析
３．マイクロチップ液体クロマトグラフィー
　３−１．LCチップの構造と分析操作
　３−２． ナノチャネルを用いたクロマトグラフィー分析
【第15章】単一分子計測‥‥‥‥飯野亮太，野地博行
１．はじめに
２．単一分子計測法
　２−１．イオンチャネル電流の単一分子計測
　２−２．単一蛍光分子の光学的検出
３．単一分子計測チップ
　３−１．単一イオンチャネル電流計測チップ
　３−２． ナノ開口を用いた単一蛍光分子検出チップ
　３−３． 物理的封じ込め（ マイクロチャンバー）を用いた単一分子計測チップ
４．今後の展望
【第16章】NMR チップ‥‥‥‥高橋　豊
１．はじめに
２．NMRチップの開発
３．MICCS-NMR
４．MICCSの基本性能
５．測定例
　５−１．反応中間体の観測
　５−２．反応条件検討への応用
６．おわりに
【第17章】拡張ナノ空間化学‥‥‥‥塚原剛彦
１．はじめに
２．拡張ナノ空間の基盤技術
　２−１．拡張ナノ流体制御
　２−２．拡張ナノ空間計測
３．拡張ナノ空間の溶液化学
　３−１．ナノ空間のマクロ物性
　３−２．ナノ空間のミクロ物性
４．拡張ナノ空間の反応ダイナミクス
　４−１．化学平衡
　４−２．化学反応
５．拡張ナノデバイス
■第６編　企業のアプローチ
【第１章】マイクロ免疫分析システム‥‥‥‥大橋俊則
１．はじめに
２．マイクロ免疫分析の測定原理
３．マイクロ免疫分析システム設計
　３−１　ビーズハンドリング
　　（１）一定量のビーズ導入
　　（２）ビーズが反応工程中安定して存在させる
　　（３）完全なビーズ排出
　３−２　マイクロ免疫分析効率化のための周辺デバイス設計
　　（１）送液ポンプ
　　（２）流路切り替えバルブ
　　（３）インジェクター
　３−３　その他，送液システム設計での留意点
　３−４　マイクロ免疫分析と熱レンズ検出
　３−５　マイクロ免疫分析の自動化
　３−６　 全自動マイクロ免疫分析装置の送液制御システムと検出システム
４．各種免疫反応への応用
５．マイクロ免疫分析の実用化
６．マイクロ免疫分析の将来
【第２章】マイクロチップ電気泳動‥‥‥‥中西博昭
１．はじめに
２．電気泳動チップ
３．市販されているマイクロチップ電気泳動装置
４．電気泳動チップを応用したDNAシーケンサ
５．おわりに
【第３章】大気中アンモニア分析‥‥‥‥八谷宏光
１．はじめに
２．アンモニアガス分析用マイクロ化学チップ
　２−１．気液２相流型マイクロ化学チップ
　２−２．アンモニアガス応答性マイクロ化学チップ
　２−３．酸性ガス対策型アンモニアガス分析用マイクロ化学チップ
３．システム化検討
　３−１．マイクロ空間ガス流体制御装置
　３−２．システム化検討
４．おわりに
【第４章】集積回路技術によるバイオ計測チップ‥‥‥‥矢澤義昭
１．はじめに
２．集積回路技術のPOCTシステムへの応用
３．RFIDセンサチップによるPOCT
　３−１．RFIDセンサチップの概要
　３−２． パッシブ無線通信回路・アンテナコイル
　３−３．センサ
　３−４．センサ信号処理用アナログ回路
　３−５．制御用論理回路
　３−６．POCTに応用した集積回路技術
４．POCTシステムへの応用と展開
　４−１．DNA計測
　４−２．タンパク質計測
５．おわりに
【第５章】電気生理バイオセンサ‥‥‥‥岡　弘章
１．はじめに
２．測定原理
３．E-HTSバイオセンサ作成方法
４．検出感度シミュレーション
５．測定結果
６．E-HTSバイオセンサの特長と今後の展望
７．結論