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マイクロ・ナノ化学チップと医療・環境・バイオ分析
[コードNo.09NTS225]

■体裁/ B5判・477頁
■発行/ 2009年 1月 23日
技術教育出版
■定価/ 58,320円(税込価格)

マイクロ・ナノ化学チップの原理から方法論や基盤技術、及び各分野への応用展開、実用化を目指した最先端の研究を詳述。
化学、バイオ、医療、環境、農林水産、食品などに応用を広げるマイクロ・ナノ化学チップの決定版。

発刊の言葉・書評
 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。
(第一遍より抜粋)

監 修
北森武彦東京大学大学院工学系研究科

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

詳細目次
はじめに
第1編 マイクロ化学チップ研究開発の現状と展望

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
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
1はじめに
2Microfluidics
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
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
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
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
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
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
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
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)
1はじめに(PDMSとは)
1-1PDMSの歴史
1-2日本国内での実績
1-3PDMS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)
2PDMS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
3-1PDMSの転写精度
3-2PDMSの成形性
(1)縮合反応型A
(2)付加反応型B
(3)加熱付加型C
3-3PDMS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
5-1PDMS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
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
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
3-1RIE
3-2ICP-RIE
3-3NLD-RIE
4ナノインプリントリソグラフィー
4-1熱サイクルNIL
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
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
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
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
3-1FETチップ
3-2DNAプローブの固定化
3-3ハイブリダイゼーション
3-4DNAバインダーとの反応
3-5DNA伸長反応
3-6FET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
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
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
6DNAの高感度検出の試み
7DNA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
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
6Padlock/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
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
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
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
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
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
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
5-1in 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
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
3CAs-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
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)
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 312
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
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
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
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
3-1LC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
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
1はじめに
2NMRチップの開発
3MICCS-NMR
4MICCS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
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
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
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
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
1はじめに
2集積回路技術のPOCTシステムへの応用
3RFIDセンサチップによるPOCT
3-1RFID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
3-6POCTに応用した集積回路技術
4POCTシステムへの応用と展開
4-1DNA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
1はじめに
2測定原理
3E-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
6E-HTSバイオセンサの特長と今後の展望
7結論

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