マテリアル インテグレーション 2002年2月号
特集　マイクロ化学センシングシステム

巻頭言
早稲田大学　理工学部電子　情報通信学科　教授　庄子 習一
　半導体の微細加工や精密加工技術を用いるMEMS (Micro Electro Mechanical System)は研究の段階から応用の段階に移りつつある.この技術を応用し,化学/生化学分析システムを小型化する研究が1980年から続けられている1).
　この分野は欧州ではμTAS(Micro Total Analysis System ),米国ではLab-on-Chipと呼ばれ,研究が盛んである.
　チップ電気泳動システムやDNAチップなどすでに市販されたものもあるが,総合的な意味でのマイクロシステムはまだ研究途上にあるというのが実情である.従来の化学/生化学センシングシステムを小型化するためにマイクロチャネルの形成技術やマイクロバルブやマイクロポンプなどのマイクロ流体制御素子の研究が行われてきた2),3) .一方,マイクロ化された流路(マイクロチャネル)中の流体の物理やその性質を利用したマイクロデバイス/システムの研究も行われている.マイクロ流体制御素子用いて複雑な化学プロセスを実現するマイクロ流体システムは,マイクロメータスケールの微小空間を活用してナノリットルボリュームの微量流体を高精度に制御し特定の機能を発現するマイクロシステムである.
　化学産業への応用は分析や合成の飛躍的な高速化、試料・原材料・廃棄物の極小化、装置の大幅な小型化,分析の効率化をもたらす.また環境分析や臨床分析への応用が期待できる.
　この分野の学術的な国際会議として,1994年から開催されているMicro Total Analysis Systems:μTASがある.
　2001年は10月21〜25日に米国カリフォルニア州モントレー市で開催された.今年で5回目を向かえるこの会議は回を追うごとに規模が大きくなり,今回は発表件数口述72件,ポスター発表200件,参加者は前回よりも200名増の約700名を数えるに至っている.もともとこの会議はMEMS 研究者と分析化学の研究者が中心となり,それぞれの立場で化学分析システムのマイクロ化を目指す研究の発表の場として設立されたもので,前回まではシーズの立場からのMEMS 型化学センシングシステムの基礎技術や電気泳動チップの報告が多かった.特に応用の対象はDNAの分析を中心としていた.今回の傾向としてDNA分析からプロテオーム分析へと研究の対象が移りつつある.また,化学,生化学分野の研究者がそれぞれの立場で,マイクロシステム化に取り組む研究が増加しており,マイクロチャネル内での化学プロセスの実現や細胞のハンドリングなど新たな展開が見られた.これは化学/生化学分野の研究者がMEMS 技術を認知し,その応用に関心を持ち始めたことを示している.次回のμTAS 国際会議は2002年11月3〜7日にアジアでは初めて日本の奈良で開催される予定(http://www.twics.com/〜microtas/)となっているが,この傾向は益々顕著になって行くものと思われる.
　本特集では,マイクロ化学センシングシステム実用化の段階にあるDNA チップやマイクロ電気泳動チップの新たな技術展開について,また,実用的システムで最も重要となるセンシング手法の最新技術について紹介する.また,化学プロセスをマイクロチャネル内で実現するシステム,バイオセンシングをカード型システムにより実現するシステムについて紹介する.
参考文献
1)庄子習一:マイクロ化学分析システム,電子情報通信学会論文誌,J81-C-I, 7: 385-393, 1998
2)Shoji S: Fluids for sensor systems, Topics in Current Chemistry, Springer Verlag., 194: 164-188, 1998
3)Shoji S: Micromachining for biosensors and biosensing systems, Biosensors and Their Applications, Kiuwer Aca-demic/Plenum Pub.: 225-241, 1999

マテリアル インテグレーション 2002年2月号
MATERIALS INTEGRATION マイクロ化学センシングシステム

集積化ミクロ化学システム
■著者
東京大学　工学部付属総合試験所　助教授　金　幸夫　他

■要約
我々は,種々の微細加工法を用いて作製した数十nmから数百μmサイズのマイクロチャネル内の微小空間の特徴や,それを利用した化学プロセス・分析法など多岐にわたるマイクロ化学システムの研究を行ってきたが,本稿ではマイクロチャネルの特徴を概観した後,複数の機能・プロセスを一枚のチップに集積化したミクロ化学システムについて紹介する.


新しいDNAチップ技術としての電気化学的アレイ(ECA)チップ
■著者
九州大学大学院　工学研究院化学部門　竹中　繁織　他

■要約
著者らは,単電極で得られた知見をもとに電気化学的アレイ(Electrochemical array,ECA )チップの開発を行なっている.ここでは,25アレイのECAチップに限ってこれまで達成できた成果を報告する.


マイクロデバイスによる生体分子のリアルタイム検出
■著者
NTT生活環境研究所　環境情報流通研究所　丹羽　修　他

■要約
低分子量の生体分子測定では,バイオセンサーのように連続的に目的物質を測定する必要がある.連続測定法として光学的手法に加え,電気化学的手法が多く使用されている.電気化学検出にマイクロチップ技術を用いると,a.複数の測定対象を連続的に測定できる.b.生体組織を多点で同時に測定できる.c.反応器などを組み合わせ高い選択性などの実現ができる.などの特徴を付与できるため,センサーに比べより複雑な生体反応に関与する分子を微量で検出する手段として注目される.


電気化学センサを集積化した微小化学分析システムの構築
■著者
筑波大学　物質工学系　助教授　鈴木　博章

■要約
生体情報を得る上で最も信頼性の高い方法は,直接血液成分を分析する方法であるが,サンプル量が微量で済み,その場で迅速に測定が可能な微小分析システムは,その真価を存分に発揮できると考えられる.ここでは化学センサが大きな役割を演じるが,微小化および分析システムへの集積化を実現する上で,電気化学的センサは非常に有利である.ここでは,マイクロマシーニング関連技術が積極的に活用される.本稿では,化学センサを集積化した微小システムについての我々の最近の研究を紹介する.


カード型マイクロバイオセンシングシステム
■著者
東京農工大学　工学部生命工学科　松永　是　他

■要約
本稿では,筆者らが採用しているPMMA(polymethylmethacrylate )を用いたカードサイズのバイオセンシングシステムの作製を含め,抗原抗体反応を利用したヒスタミンの微小スケールな電気化学的検出法の実例を紹介し,この分野の今後の発展性について述べる.


マイクロ電極を用いたバイオセンシング
■著者
東北大学大学院　工学研究科生物工学専攻　小谷松　大祐　他

■要約
マイクロ電極とは,一般的に電気化学測定に用いられている数mm〜数cmの大きさの電極に対し,μmレベル,あるいはそれ以下の大きさを持った電極の総称である.マイクロ電極を用いると,通常サイズの電極を用いた場合とは異なった電気化学測定を行うことができる.その特徴としては, (a) 溶液抵抗の高い電解液中でも測定ができる. (b) 反応の解析が簡単である.(c) 電流応答が速いので,高速反応の追跡ができる. (d) 高感度の計測を行える.(e) 電極表面のごく限られた領域の情報が得られる.などがある.


キャピラリーカーボンマイクロ電極
■著者
東京農工大　工学部生命工学科　斉藤　美佳子　他

■要約
一般にカーボン電極と呼ばれるものには,グラファイト電極,カーボンペースト電極,グラッシーカーボン電極などがあり,また同じグラファイト電極でも多孔性のものにパラフィンなどをしみ込ませたものと,熱分解で作られた緻密なものなど,製法や構造にはバラエティがあるが,1m程度のキャピラリー内に充填するには,気体分子を流しながら直接熱分解する方法が適すると考えられた.本稿では,アセチレンガスをガラスキャピラリー先端で熱分解させるおことによって,先端のみにカーボンを堆積させて作製した,キャピラリーカーボンマイクロ電極について解説する.


集積化光電圧法バイオセンサ
■著者
埼玉大学　工学部　教授　勝部　昭明

■要約
LAPS は,半導体の表面ポテンシャルの変化を検出する測定法であり,原理的にはISFETの動作と同じである.しかしISFETとは信号を読み出す手法が異なる.ISFETでは半導体表面に蓄積した電荷量を端子(ソース,ドレイン端子)を作りつけて読み出す.これに対しLAPSでは光をプローブとして用い非接触に読み取る.このためLAPSでは信号を読み取るための配線は電極表面に一切不要であり,構造が極めてシンプルである.このため電極表面にマイクロマシン技術により化学分析システムを容易に製作することが出来る.又光プローブを動かすことにより,電極表面の任意の点の測定が出来る.このような特長は従来の化学センサには無かったものであり新しい機能を持ったセンサが開発されている.本稿ではLAPSバイオセンサの開発の現状を述べる.