【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.17】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24KT2488
利用課題名 / Title
PDMS製マイクロ流体デバイスを用いた蛍光ナノダイヤモンド粒子塊の配列技術
利用した実施機関 / Support Institute
京都大学 / Kyoto Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials
キーワード / Keywords
蛍光ナノダイヤモンド,温度分布計測,PDMS,ソフトリソグラフィ,流体デバイス,多孔質膜,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
平井 義和
所属名 / Affiliation
京都大学 大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
犀川啓太,亀井謙一郎
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
KT-103：レーザー直接描画装置
KT-153：移動マスク紫外線露光装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
窒素空孔中心を含む蛍光ナノダイヤモンド(FND)は、その蛍光スペクトルが温度依存性を示すことから、温度センサとして用いることができる。FNDは高い生体適合性を示し、その蛍光は物理・化学的に安定であるため、生物学をはじめとする様々な分野に応用できるナノ・マイクロ温度センサとして注目されている。FND温度センサの高精度化に向けては、単一FNDの弱い蛍光強度が課題である。そのため、蛍光強度を増強し精度を向上させるには、レーザ励起スポット内のFND数を増加させるアプローチが有効である。
本研究では、FND温度センサの高精度化と温度分布計測への応用に向けて基板上においてFNDが高さ方向に凝集された粒子塊を配列する技術を開発した。粒子塊の高さ方向の凝集は、貫通穴構造内でFND懸濁液を乾燥させることで実現し、FND粒子塊の配列のために、この貫通穴構造が配列されたポリジメチルシロキサン(PDMS)製の多孔質膜を有する流体デバイスを用いた。この流体デバイスは、京都大学ナノテクノロジーハブ拠点の設備を用いて作製された。
実験 / Experimental
PDMS製多孔質膜は、紫外線リソグラフィで厚膜ネガレジストをパターニングしたモールドを用いたソフトリソグラフィで作製した。はじめに、4インチSi基板上に移動マスク紫外線露光装置(KT-153)を用いてピラー構造を形成した。続いて、PDMSをレジストモールド上にスピンコートして熱硬化させたのち、O2/CF4を用いたプラズマエッチングにより多孔質膜の貫通穴構造を形成した。最後に、多孔質膜を、別に作製した流路構造に転写することで、流体デバイスを作製した。
FNDをアセンブリするため、まず流体デバイスをPDMS基板に密着させ、1時間の真空引きした。その後、デシケータから取り出してからFND懸濁液を導入し、オーブンで乾燥した。最後に、流体デバイスを剥離した。
結果と考察 / Results and Discussion
作製した流体デバイスの全体図、および断面のSEM写真をFig.1に示す。流体デバイスは、直径8.6 µmの貫通穴が20 µmピッチで配列された厚み39 µmのPDMS多孔質膜を有した。これを用い配列したFND粒子塊をFig. 2に示す。FND懸濁液濃度を増加させることで、高さ方向に凝集したFND粒子塊の形成が確認された。粒子塊の蛍光計測を行なった結果、平均高さが高いFND粒子塊で蛍光強度がより強くなり、温度計測精度を向上できたことが確認された。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 (a) Optical image of the PDMS microfluidic device. (b) SEM image of the cross section of the device. (Ref. 1)
Fig. 2 (a) Optical image of arrayed FND clusters. SEM images of FND clusters prepared with FND suspension at concentrations of (b) 1.0 w/v% and (c) 4.0 w/v%.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[受賞歴] IEEE MEMS 2025, Outstanding Student Presentation Award Finalists (Oral Category),Keita Saikawa
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Keita Saikawa, Microfluidics-guided fluorescent nanodiamond assembly method for highly sensitive thermometry, Sensors and Actuators A: Physical, 386, 116312(2025).
DOI: 10.1016/j.sna.2025.116312
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K. Saikawa, OT3.213 - Microfluidic-Assisted Assembly of Fluorescent Nanodiamonds for Precise Temperature Measurement, Lectures, , 55-56(2024).
DOI: 10.5162/EUROSENSORSXXXVI/OT3.213
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Keita Saikawa et al., “Enhanced Quantum Temperature Sensing via Microfluidic-assisted Assembly of Fluorescent Nanodiamonds for Temperature Mapping Applications”, The 38th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE MEMS 2025), Kaohsiung, Taiwan (January, 2025), pp.177-180.
- 犀川啓太 ほか, “細胞塊の発熱分布計測に向けた蛍光ナノダイヤモンド粒子塊の配列技術”, 第41回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, 電気学会, 仙台, 2024年11月, 26P2-B-5
- 犀川啓太 ほか,”蛍光ナノダイヤ粒子塊配列を用いた全光学的温度センサ“,量子生命科学会第6回大会, 量子生命科学会, 東京, 2024年5月, P-53.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件