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ナノスケールで物質の濃縮効果を発見 ~ナノ流体デバイスによる超微小気液界面の作製と効果~

 大阪府立大学と国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2021年10月14日,大阪府立大学大学院工学研究科 化学工学分野の許 岩 准教授,川岸 啓人 大学院生,および同量子放射線工学分野の川又 修一 教授の共同研究グループが,髪の毛の数百分の1の大きさのナノ流路に,均一かつ安定にナノスケールで気体と液体が接する界面(超微小気液界面)を作製することに成功した,と発表した.本研究は,独立行政法人日本学術振興会の科学研究費補助金・挑戦的萌芽研究,JSTの戦略的創造研究推進事業などの支援を受けて行われ,成果はNano Letters誌にオンライン掲載された(注).

 気液界面での物質移動は,化学プロセスのみならず生命科学,医療,エネルギーなど多くの分野に関連し,近年は,ウイルスやエクソソームなどの生体ナノ物質の生理作用解明,量子ドットやナノダイヤモンド合成のような新たな分野で,ナノスケールの気液界面を形成し安定化させる技術が求められている.

 本研究で,研究グループは,ナノ流体デバイス内部に疎水性表面と親水性表面を作ることで,ナノ流体デバイス内部に超微小気液界面を安定に形成し,かつその精密な位置決めに成功した.用いたナノ流体デバイスはガラス板にサブミクロンサイズ(幅約800nm)の流路を彫り込んだもので,独自開発のNano-in-Nano集積化技術により,数10nmの位置決め精度で,流路内部にナノサイズ(約500nm□)の金表面を配置し,さらに流路内部のガラス表面をトリクロロメチルシランで疎水性化処理したものである.これにより流路内表面の濡れ特性は,金表面の親水性部分とガラス表面の疎水性部分に分けられる.金表面を設置した疎水/親水パターンを有する流路と,金表面を持たない疎水性部分のみの流路に液体を圧送し,次いで空気を導入して気液界面の状態を比較観察した.液体に満たされた流路に空気を流すと気体導入側から気液界面が進行するが,疎水性部分のみの流路では液体が蒸発し易く,界面は形成されず流路は全て空気に置換された.それに対し親水性パターンを持つ流路では,親水性部分で安定な気液界面の形成が確認された.空気圧を高めると界面位置は移動し,その速度は空気圧に依存する.界面における物質の移動を調べるため,液体に蛍光分子であるローダミンBを加えて観察したところ,ローダミンBに由来する蛍光が気液界面において局所的に増加した.これは気液界面におけるローダミンB分子の濃縮を示すもので,微小空間で形成されるナノスケール気液界面の持つ能力のひとつである濃縮効果の顕れという.

 本研究は,極微量の生体ナノ物質の簡便かつ高精度な分離,濃縮,検出,分析に有用な革新的技術として医療機器の開発や基礎生物学研究への寄与が期待される.研究グループでは,今後,ナノスケールの気液界面の精密制御技術を医薬品や量子ドット,ナノダイヤモンドなどのナノ合成技術開発への展開を図りたいとしている.

(注)Hiroto Kawagishi, Shuichi Kawamata, and Yan Xu, "Fabrication of nanoscale gas-liquid interfaces in hydrophilic/hydrophobic nanopatterned nanofluidic channels", Nano Letters, 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02871; Publication Date: October 14, 2021