拡張ナノ空間を用いたaL-fL高機能分析デバイスの開発

Development of functional analytical devices utilizing extended-nano space

　分析システムを数センチメートル角の基板に集積化するマイクロ化学チップの研究がここ10年で急速に進展して，微量・高速・高機能な化学・バイオデバイスが実現した。また，一部ではマイクロ化学チップを搭載したシステムが実用化されるに至っている。さらに最近では，分析場を数十-100nmの空間，すなわち拡張ナノ空間へ集積化する研究が進展している（図1）。拡張ナノ空間は従来のナノテクノロジーが対象としてきた孤立分子とマイクロテクノロジーが対象としてきた通常の凝縮相液体をつなぐ過渡的領域であり，液体の特性が発現する領域として非常に興味深い領域である（図1）。しかし，波長よりも短く極微小空間となる拡張ナノ空間は，加工・流体制御・検出などいずれも非常に困難であり，これまで未開拓な領域であった。

　そこで当研究室は世界に先駆けて拡張ナノ空間化学・流体の基盤技術を確立してきた。例えば，ガラス加工・低温接合，aL液体・fL/秒の流体制御，非蛍光性分子zmolの検出などが挙げられる^1）。これら新しい研究ツールを用いて拡張ナノ空間の溶液物性を調べた結果，バルクとは異なるユニークな溶液物性を数多く見いだしてきた。例えばプロトン拡散速度の上昇，粘度の上昇，誘電率低下，酵素反応速度の加速，化学平衡のシフトなどが挙げられる。いずれも流路のサイズが数百ナノメートルになると発現するという共通の傾向を示した。これらの結果を総合して，壁面から50nmの領域で水が緩やかに構造化したプロトン移動相モデルを提案してきた。従来の吸着相・バルク相に加えてプロトン移動相を考慮することで溶液全体の平均物性を説明するモデルである。