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３Ｄ誘電泳動による微小誘電体の捕集

首都大学東京 理工学研究科

電気電子工学専攻

准教授 内田 諭

公立大学法人首都大学東京 「新技術説明会」（New Technology Presentation Meetings）(2010.6.24 科学技術振興機構JSTホール（東京、市ヶ谷）)

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研究背景

食に対する不信の増大

食品製造における偽装行為

衛生管理の不徹底

集団食中毒の慢性的発生

鳥インフルエンザ・口蹄疫の蔓延

HACCP方式による管理体制の強化

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危害要因分析・必須管理点方式

食品の原料入荷から製造・出荷に至る全工程の危害予測を行い，特定した管理点を継続的に監視・記録する管理方式。米国で開発されて発達。

(hazard analysis - critical control point: HACCP)

（出典：財団法人食品産業センターHP）

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一般的な微生物検出法（従来法）

・高精度，高感度（ＰＣＲ法，・高精度，高感度（ＰＣＲ法，etcetc））

・迅速（フローサイトメトリー法，・迅速（フローサイトメトリー法，etcetc））

・低コスト（培養法）・低コスト（培養法）

それぞれにメリット・デメリットありそれぞれにメリット・デメリットあり

増菌培養によるサンプル数の確保が必要なため、増菌培養によるサンプル数の確保が必要なため、““分析分析””までに長時間を要する！までに長時間を要する！

共通の問題点として

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研究目的

HACCPに準拠した厳格な食品管理体制を実施するには、微生物に対する迅速、簡便、かつ安価な新しい検出・分析技術の確立が必要

電気的(物理的)手法簡便かつ低コスト高速動作が可能

誘電泳動法

微生物の捕集、計測及び処理に適用！

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誘電泳動とは？(dielectrophorisis: DEP)

• 不均一電場間に置かれた誘電体が移動する現象• 誘電体中の誘導電荷に働く不均衡なクーロン力• H. A. Pohlにより命名(1951)

Eleft Eright

Fdep

綱引きのようなイメージ！

+ -

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誘電泳動デバイス

Microelectrodearray

Holder

PDMS cover

Inlet

Outlet

Tube

110μm

10μm

10μm

DEPデバイス 捕集電極の配置図

わずか１０ Vで１MV/mの高電界が生成可能！

(dielectrophoretic device: DEP device)

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誘電泳動による大腸菌の捕集

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乳酸菌と乳脂肪の分離

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現行DEPデバイスの問題点

従来の微生物検出法には見られない高速性や簡便性を有するが、

•高さ方向に対する捕捉領域が小さい•導電性媒質中における検出感度が低い

等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。

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３D－DEPデバイス

集束陽子線描画技術(PBW)により、三次元構造のDEPデバイスを作製

Au electrodeAu electrode

15 mm 1.4 mm

Pitch

Gap

14.0 μm

SU-8 Pillars

SiO2

Au

electrode

Au

electrode

Gap(200μm)

立体的に捕集

省スペースで高さ方向への濃縮が可能

Pillar array

Gap

Top view

Side view

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立体構造の有無による捕集量の変化

10 min

10 min

0

50

100

150

200

250

300

350

200 400 600 800

3 min5 min10 min

PL In

tens

ity [a

rb.u

nits

]

Wavelength [nm]

0

50

100

150

200

250

300

350

200 400 600 800

3 min5 min10 min

PL In

tens

ity [a

rb.u

nits

]

Wavelength [nm]

Pillar less

Pillar array

■ピラー無しでは、濃縮が進んでいない領域が多い（赤点線内）。

■ピラー有りでは、蛍光強度が高く 、隙間

もない。

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立体構造の高さによる捕集量の変化

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

350

PL In

tens

ity [a

rb. u

nits

]

Time [sec]

pillar height 15.2 μm pillar height 8.39 μm

高さ方向への捕集体積高さ方向への捕集体積が増大が増大し、濃縮量が増加

10分後の濃縮量比が1.62倍

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流路一体型デバイスの創成

捕集部

ピラー流路

ポート

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複雑な立体構造の構築

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新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来デバイスの問題点であった、電極遠方における捕集能力を改善することに成功した。

• 従来は基礎データの不足により、構造の設計指針が明確でなかったが、基本性能が精査されてきたため、デバイス化が可能となった。

• 本技術の適用により、送液循環数を半減できるため、運用コストが1/2～1/3程度まで削減されることが期待される。

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想定される用途

• 本技術の特徴を生かすためには、食品の微生物検査に適用することで即時的な安全性の確保が容易になると考えられる。

• 上記以外に、用排水中における有害物質の除去効果が得られることも期待される。

• また、達成された微粒子の操作性に着目すると、新規プロセスや新型センサといった分野や用途に展開することも可能と思われる。

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想定される業界

• 利用者・対象食品（主に飲料）製造メーカーの加工工場

食品衛生関連の研究所等

（将来的にはセンサ関連分野へも進出可）

• 市場規模

食品加工工場数：５００、導入費用：２億円と想定 → １０００億円の市場規模

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実用化に向けた課題

• 現在、立体構造を付加した誘電泳動デバイスを開発し、細菌の高濃縮が可能なことを実証済み。しかし、導電性媒質中での捕集に対する検討は不十分。

• 今後、様々な媒質に対する実験データを取得し、最適構造の条件設定を行っていく。

• 実用化に向けて、測定感度を１０個/ｍｌ以下にまで低減できるよう技術を確立する必要もあり。

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企業への期待

• 高導電性媒質への対策として、最適な電極配置により克服できると考えている。

• マイクロプロセスの技術を持つ、企業との共同研究を希望。

• また、バイオセンサを開発中の企業、生体計測分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：三次元誘電泳動デバイス• 出願番号 ：特願2010-10945• 出願日 ：2010.1.21.• 出願人 ：芝浦工業大学、首都大学東京

日本原子力研究開発機構

• 発明者 ：西川宏之、古田祐介、椎根康晴、内田諭、神谷富裕、石井保行、

佐藤隆博

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産学連携の経歴

• 2005年-2007年 エンテストジャパン（株）と共同研究

• 2006年 東京都ベンチャー大賞受賞• 2007年-2009年 カネボウ化粧品（株）と共同

研究

• 2007年- 三愛石油（株）と共同研究• 2008年-2009年 伊藤忠商事（株）と共同研究• 2009年- フィルテクノジャパン（株）と

共同研究

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お問い合わせ先

公立大学法人首都大学東京

産学公連携センター

担当コーディネータ：國府勝郎

ＴＥＬ 042－677－2729

ＦＡＸ 042－677－5640

e-mail kokubu-katsurou＠jmj.tmu.ac.jp