自立的マイクロフルイディックプロセッサの構築

构建自主微流体处理器

• 批准号: 21K18840
• 负责人: 鈴木 博章
• 金额: $ 3.91万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18840/
• 关键词: マイクロフルイディクス; 自立的送液制御; 電気化学回路; 毛細管現象; バルブ; ポリジメチルシロキサン; 亜鉛; 水素バブル; 溶液操作; ポリピロール; 微小櫛型電極; 双方向送液; 金属接続; ポンプ

本研究では、マイクロシリンジポンプ等の外部機器に依存せず、チップ上に集積化された電気化学素子のみで、化学分析等で必要な微量溶液の高度な操作を自立的に行うデバイスの実現を目指している。本研究で用いるデバイスは、送液制御に必要な電極を形成した親水性のガラス基板と、微小流路・容器を形成した疎水性のポリジメチルシロキサン(PDMS)基板および電極反応を進行させる電極から構成される。前年度までの研究で、溶液の注入、混合、送液等を行う幾つかの要素回路の動作を確認した。これらの要素回路を用いると、より複雑な機能を有する自立的マイクロフルイディクデバイスを実現できる。その一例として、22年度は電気化学回路で構成される自立的双方向送液ユニットの作製、評価を進めた。ここでは白金黒微小櫛型電極上での水素バブルの生成・消滅を、順次それぞれ亜鉛の酸化、銀イオンの還元と同時に進行させ、双方向送液を行う。これまでの研究では、流路内の溶液を可視化するために色素を用いていたが、電極反応を起こす場合に色素が電極反応を起こし、本来起こすべき反応の進行に影響を及ぼしていることが強く疑われた。そこで、色素分子を直接溶液に溶かしたものでなく、色素を内部に固定したマイクロビーズを用いるようにしたところ、この問題が解決され、亜鉛の酸化、銀イオンの還元に伴う水素バブルの生成・消滅、および微小流路中での溶液の往復運動を問題なく起こすことができるようになった。また、一連の反応を効率良く進行させる上で、電極材料・形状、反応チャンバー形状、使用する溶液濃度等の細部で問題が見いだされたため、これらについて改良を行った。また、ガラスとPDMSで構成される微小流路内の親水性が弱く、毛細管現象による送液に時間を要する点が課題として浮上した。このため、高分子や水ガラスによる内面のコーティングを行い、その効果を調べた。

在这项研究中，我们的目标是实现一种装置，仅使用集成在芯片上的电化学元件，而不依赖于微注射泵等外部设备，独立地对化学分析等所需的微量溶液进行高级操作。以此为目标。本研究中使用的装置由亲水性玻璃基板（其上形成有液体供给控制所需的电极）、疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基板（其上形成有微通道和容器）以及配置用于进行电极反应的电极组成。在截至前一年的研究中，我们确认了执行溶液注入、混合、液体输送等的几个基本回路的操作。利用这些基本电路，可以实现具有更复杂功能的自维持微流体装置。例如，在 2012 财年，我们创建并评估了一个由电化学电路组成的自持式双向液体传输单元。这里，铂黑微梳状电极上氢气泡的产生和消失分别与锌的氧化和银离子的还原同时进行，并且进行双向液体转移。在之前的研究中，使用染料来可视化通道中的溶液，但发现当发生电极反应时，染料会引起电极反应并影响通常应该发生的反应的进展。因此，我们通过使用内部固定有染料的微珠来解决这个问题，而不是直接将染料分子溶解在溶液中，现在可以使溶液消失并在微通道中往复运动而没有任何问题。此外，在电极材料和形状、反应室形状以及使一系列反应有效进行的溶液浓度等细节上发现了问题，因此在这些方面进行了改进。出现的另一个问题是，由玻璃和PDMS制成的微通道的亲水性较弱，通过毛细作用转移液体需要时间。为此，我们在内表面涂覆了聚合物和水玻璃，并研究了它们的效果。

项目成果

電気化学回路による自立的マイクロフルイディクデバイスの構築

使用电化学电路构建自维持微流体装置

• 发表时间: 2021
• 作者: 椎名瞳;馬成睿;楊昊;丁翰林;鈴木博章
• 通讯作者: 鈴木博章

Electrochemical Circuits for Advanced Microfluidic Solution Processing

用于先进微流体溶液处理的电化学电路

• 发表时间: 2021
• 作者: Hanlin Ding; Hao Yang; Chengrui Ma;Hiroaki Suzuki
• 通讯作者: Hiroaki Suzuki

Electrochemical Circuits for Autonomous Microfluidic Solution Processing

用于自主微流控溶液处理的电化学电路

• 发表时间: 2021
• 作者: Chengrui Ma; Yusei Satoh; Hiroaki Suzuki
• 通讯作者: Hiroaki Suzuki

Towards Autonomous Microfluidics

迈向自主微流控

• 发表时间: 2021
• 作者: Hiroaki Suzuki