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光をつかった計測原理の提案で、微細な流れ場の輸送現象を解明したい!

RESEARCHER
ラマンイメージングにより流路内の温度分布を可視化

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温度の異なる純水(H<sub>2</sub>O)から得られたラマンスペクトル。分光器によって得たこのようなスペクトルに基づいて温度感度のある波長帯を特定し、その波長帯をカメラで2次元でイメージングすることで、時間的に変化する流れ場全体の温度分布を計測することに成功した。

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ラマンイメージングでは、流体を構成する分子そのものが発するラマン散乱光を計測している。そのため、作動流体に蛍光分子のような物質を添加せずに、「そのまま」の状態で計測できる。化学分析の分野ではよく使われるこの手法を、この研究ではマイクロ流路内の熱流動計測に利用することに挑戦した。

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蛍光偏光法により流路内の流体粘度の分布を可視化。図は、粘度が3倍程度異なる水溶液(水とスクロース水溶液)が並走する流路内の粘度分布を可視化したもの。スクロース分子の拡散によって生じる粘度の勾配が精度よく可視化された。

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蛍光偏光法は、蛍光分子の回転ブラウン運動の様子を、光を通じて検出する。免疫分析などによく用いられるこの手法を、この研究では流体粘度や温度の計測に利用した。流体温度が高い(流体粘度が低い)と回転ブラウン運動が激しくなるため、その変化を蛍光の偏光特性の変化として計測する。偏光度は分子の運動状態により決まるため、励起光強度や蛍光色素濃度の変動、消光などの外乱の影響を受けにくく、安定した計測が可能である。

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力応答性蛍光分子による流体の応力場計測に向けた蛍光イメージング結果

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力に応答して分子構造と蛍光波長が変化する特殊な蛍光分子(FLAP-PEG)を利用して、流れ場の応力分布を非接触に可視化する新たな計測方法を開発している。点計測のプローブを用いる従来法では、流体応力の2次元分布を高い空間分解能で計測することは難しかったが、蛍光を利用するこの方法ではそれを実現できると期待される。将来的には、流体機器の強度設計など流体工学分野への応用をはじめ、循環器疾患のメカニズム解明など医療分野への貢献も期待される。

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マイクロ熱流体デバイスにおいて、微量のサンプルから特定の成分を抽出したり、混合・反応させたりするには、髪の毛の太さほどの微細な流路内における輸送現象を正確に把握・制御する必要がある。そのために微小空間に特化した熱流体計測技術の開発が様々に進められてきた。この研究では特に光と分子の運動を利用することで、非接触かつ高い空間分解能で二次元情報を取得する方法を提案している。

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実験の様子

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左から<br>・Y字型マイクロ流路<br>・流体の応力場計測に利用した、力応答性蛍光分子(FLAP-PEG)を含むDMSO/glycerol溶液<br>・蛍光偏光法による流体粘度・温度計測に利用した、蛍光色素(Casein-FITC)を含む水溶液 <br>・ラマンイメージングによる温度計測に利用した純水

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どんなタネ?

マイクロ・ナノスケールの熱や物質、運動量の輸送現象を、計測・制御するための研究をしています。特に、近年開発の進むマイクロ熱流体デバイスへの応用を念頭に、微細な流れ場の熱流体計測技術の開発に力を入れています。まず、ラマン散乱に着目し、ラマンイメージングによる非侵襲な濃度・温度の計測に成功しました。また、蛍光分子の回転ブラウン運動の様子を光で検出する蛍光偏光法により、環境や外乱の影響を受けにくい流体粘度・温度の計測を可能にしました。さらに、力を加えると構造が変化する力応答性蛍光分子を利用して,非接触な流体の応力場計測に取り組んでいます。いずれも流路内を高い空間分解能で2次元的に可視化します。

なぜ研究を始めた?

もともとナノマイクロスケール、流れ、光計測に関心があり、この3つが重なった対象の一つとしてマイクロ熱流体デバイスに着目しました。マイクロ熱流体デバイスは、微量のサンプルで環境分析や生化学分析を可能にする小型デバイスとして注目されていますが、その機能や効率を向上させるには、マイクロ流路内の輸送現象を正確に制御する必要があります。そのために、「流路内がどうなっているのか」を明らかにする高度な計測技術が不可欠です。目には見えない小さなスケールで、流れによって時々刻々と変化する輸送現象を、光を駆使して非接触に計測する。その難しさと面白さを同時に感じながら、研究を進めています。

なにを変える?

これらの測定法はいずれも、マイクロ熱流体デバイスの設計段階における熱流動場の評価や、デバイス動作中の流路内のモニタリングなどに生かせます。また、これらの計測法を流路の壁面と液体の「界面」に応用することで、新しい現象の解明につながる可能性があります。界面近傍は特に計測が難しく、多くのことが未解明のままです。例えば沸騰現象はとても身近な現象ですが、壁面で気泡がどのように発生し成長するのか、その過程でどのように熱が輸送されるのか、などは現在も多く議論されています。熱流体が関わる様々な分野において基盤となるような新しい計測技術を開発していくことが目標です。

なにが必要?

ラマンイメージングでは分子の振動、蛍光偏光法では蛍光分子の回転、応力場計測では蛍光分子の羽ばたきの様子を光で検出し、温度や粘度、応力などの情報を得ます。いずれも分子の運動を利用しますが、実際には分子を一つひとつではなく塊として捉え、ある領域で平均化された値を計測します。そのため計測結果から、個々の分子レベルでどのような現象が起こっているかを詳しく知ることはできません。分子シミュレーションをしている方など、分子スケールの描像を持つ方の知見を得られたら、計測原理の根幹をより理解することができるかもしれません。私たちが想像する現象が分子スケールで本当に起きているのか、解明を進めたいです。

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INTERVIEW
桂産直便
光をつかった計測原理の提案で、微細な流れ場の輸送現象を解明したい!

2023.03.27

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