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制御可能なナノ構造を利用した高感度センサーと抗菌素材の創出

関西大学 システム理工学部 機械工学科

准教授 伊藤 健

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ナノ構造を利用したデバイス：２つの提案

① 水晶振動子表面にナノ構造を作製

QCM 比表面積の増大による高感度化（水晶振動子マイクロバランス法）

② ナノ構造による抗菌素材

物理的な構造にのみ依存する

ナノ機能物理工学研究室

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高感度センサー：水晶振動子マイクロバランス(QCM)法

電極表面に物質が吸着すると共振周波数が変化

m:質量N:次数F:共振周波数S:電極面積ρ,μ:水晶の密度、せん断応力

Sauerbrey式

Time [s]

ΔF [H

z]

例えば、30MHzの場合1Hz=0.035ngに相当する

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提案①

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QCMの特徴と課題

○重さで計測する○安価、高精度、大量生産○リアルタイム計測が可能▲分子量の小さなもの、濃度の低い場合は測定が困難

高感度化・周波数を上げる

⇒薄くなり壊れやすい

・吸着表面積の増大

Sauerbrey式

従来の技術は、物理的表面積の拡大よりも化学的な表面の改質による吸着法に主眼が置かれてきた

QCMの特徴 単位電極面積当たりの吸着量

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本技術の着眼点ナノ構造を利用した比表面積の拡大

ナノ構造は様々な材料から選択可能

50nm

2000nm

旧来技術： 平坦な表面

凹凸のある表面：比表面積の増大⇒吸着量の増加

1μmあたり400本⇒表面積増加分

～100倍以上

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実例

上面からの観察 断面からの観察

1μm 100nm

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本技術の応用先

食品工場

酪農

病院

家庭

規模

価格

健康チェック糖尿病妊娠検査

健康チェックブランド化

生化学検査インフルエンザ

アレルゲン食中毒対策規格確認

空港・警察

パンデミック、テロ防止違法麻薬

におい味環境

PM2.5環境ホルモン

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競合技術との比較

測定法 測定時間 モバイル化への可能性高速液体クロマト 数時間 ×グラフィ(HPLC)酵素免疫測定法 数時間 ×(ELISA)電気化学インピー ～30分 △ダンス法(EIS)表面プラズモン ～15分 ×共鳴法(SPR)水晶振動子マイクロ ～15分 ○バランス法(QCM)

一般的な生化学分析・バイオセンサ技術との比較

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ナノ構造を利用した抗菌素材

• セミの羽が持つナノ構造を模倣

・光に対する無反射構造・摩擦低減・撥水性

ナノ構造では毛細管力が強くなり、菌がトラップされて動けなくなり体の内部成分が外に出されると推測されている

Ivanova et al, Small, 2012, Ivanova et al., Nature Commun., 2013

・抗菌性

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提案②

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クマゼミの羽の形状を観察

1μm

平面像

100nm

鳥瞰像

P [nm] W [nm] H [nm]クマゼミ 196 148 229

Sample:関大内で採取

人工的に模倣

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P

W

H

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ウエットプロセスによる生体模倣

P [nm] W [nm] H [nm]クマゼミ 196 148 229

NW 200 150 200

ポリスチレン分散 ポリスチレンO2プラズマアッシング

Auスパッタ

ポリスチレン除去 メタルアシストエッチング

Au除去

ポリスチレン球

Si基板

Au薄膜

SiナノワイヤAuアンチドットパターン

断面像100nm

O2

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抗菌性評価結果

Sample 生菌数濃度[CFU/mL]A:NW400 <1B:NW200 <1C:NC200 <1

D:Si 1.5×104

200 or400 nm

150nm 150nm

NW NC

非常に高い抗菌性能を示すことが分かった

JIS Z 2801に準拠

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本技術の特徴

・物理的な構造のみで抗菌性を実現・・・薬剤が必要ない

・ウエットエッチングを用いるため安価、かつ大面積での加工が可能

・ナノ構造の高さ、ピッチを設計し加工することが可能

・鋳型を作製し、樹脂への転写も可能⇒量産への展開も可能

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応用分野

食品トレー、鮮度保存フィルムなど機能性フィルム、食品工場の壁材、医療機器、衛生関連品

http://www.mfc.co.jp/product/wasaouro/business/rn.html

http://www.chuo-kagaku.co.jp/products/tray

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実用化に向けた課題

① QCM応用例について実験データを取得し、 ナノ構造の有効

性について基礎データを蓄積していく。

② 抗菌素材

ナノ構造の最適化

●共通

実用化に向けて、量産技術の確立も必要。

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企業への期待

• 実際に本技術により測定が必要な具体的な事例について共同研究を希望。

⇒その結果により、製品化を目指す企業と

の連携を期待。

• バイオセンサなどセンサ分野は市場規模の拡大が期待されているが、市場規模は巨大企業が手を出す領域ではない。そのため、開発型中小企業向けである。

• 量産技術の確立

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産学連携の経歴

• 1997年4月～2015年3月○神奈川県の公設試験研究機関にて勤務

○毎年企業との共同研究を数件単位で実施してきた

○地方自治体との連携（補助金など）も可能

○異分野（畜産業、農業）との連携経験あり

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お問い合わせ先

関西大学 先端科学技術推進機構

コーディネーター 木村 浩

ＴＥＬ：06－6368－0664

ＦＡＸ：06－6368－0080

e-mail：sangakukan-mm＠ml.kandai.jp

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