慶應理工の新しい分析化学 インクジェットプリンターだけで作製できる医療・環境センシングチップ

インクジェットプリンターで、紙のセンサーをつくる

「私が手がけているのは、誰でもどこでも持ち運びができ、簡便な方法で測定できる化学センサー・バイオセンサーの開発です」と言うのは、チッテリオ，ダニエル准教授だ。
化学物質を検知する化学センサーには、身近なところでは pH（ピーエイチ）を測るリトマス試験紙やガス漏れ探知機などがある。また、バイオセンサーとは酵素や抗体などのタンパク質を使うことでターゲットとなる物質を選択的に認識するセンサーである。例えば、妊娠検査キットがそれにあたる。チッテリオさんが目指すのは、リトマス試験紙の色彩変化のように、人間が目で見て瞬時に認識できるような簡便なセンシングシステムだという。
「目指しているのは、とくに医療と環境への活用です。たとえば、家に居ながらにして、尿や唾液、血液から、タンパク質や血糖、ヘモグロビンの状態を検査し、健康管理や医療診断に用いたり、川や湖などの水質を調べ、pH をはじめ、重金属や鉛、カドミウム、亜硝酸イオン、ヒ素、農薬などの汚染物質がないかどうかを簡単にチェックしたりすることができるセンサーをつくりたいと考えています。そのために、すでに確立されている汎用的な技術と新たな技術を組み合わせることにより、誰にでも使いやすく、実用的な仕組みが実現できればと思っています」。
そこでチッテリオさんがセンサーのチップ基板に採用したのが「紙」、具体的にはセルロースのファイバーでつくられたろ紙である。紙であれば、どこでも安く手に入れることができ、軽くて持ち運びもしやすく、郵送も可能なうえ、保存性もよく、使用後には焼却・破棄できる。大掛かりな装置になれば、付随して空調設備のある検査室や冷蔵庫などの冷却装置も必要になるが、紙なら電源すらいらない。フィールドワークの現場や医療施設が整っていない発展途上国、緊急時でも手軽に使えるのが大きな利点だ。
「紙は、化学の世界では昔から使われてきた材料です。化学物質を固定し、毛細管現象で溶液を移動させることができるため、例えばペーパークロマトグラフィーといって、ろ紙のこれらの性質を利用して化学物質を分離する技術も確立されています。
小さな 1 枚の紙のチップにわずか 1 滴のサンプルを垂らすだけでさまざまな検査ができれば、試薬の使用量も少なくてすみます。抗体・抗原反応を活用した試薬などには高価なものもありますから、チップ自体を小さくして、使う試薬をできるだけ減らすことも重要な課題なのです」。

実は紙をセンサーとして用いる手法は、近年、多くの研究者が手がけ始めているのだが、チッテリオさん達の独創性は、チップをつくるプロセスにピエゾ方式（印字ヘッドに電圧をかけると変形するピエゾ素子を使ってインクを押し出す方式） のインクジェットプリンターを用いることにある。
「 十 数 年 前 か ら、 小 さ な チ ッ プ 上に 微 小 な 流 路 や 反 応 室、 混 合 室 を 設け、化学物質を分析するデバイス、いわ ゆ る Micro-TAS(Micro-Total AnalysisSystems) の研究が盛んになってきました。それらのチップとして、これまではガラスやプラスチックなどが用いられてきましたが、2007 年にハーバード大学のホワイトサイド教授が、より安く簡便な方法として初めて、紙のチップを提案したのです」。
紙から連想して、その作製においてチッテリオさん達が目をつけたのが、思いのままの量の液滴を吹きつけることができるインクジェットプリンターだった。いまやインクジェットプリンターは、紙への印刷だけでなく、ディスプレイのカラーフィルムなどの大きなものから、半導体の基板といった小さなものの製造にまで幅広く活用され、汎用性が高い技術であることが魅力なのだという。
「インクジェットのカートリッジに試薬を入れ、それを紙に吹き付けて印刷してチップをつくります。そこにスポイトで血液や尿などのサンプルを垂らすと反応が起こる。それだけではなく、私達はチップ上の流路のパターンもインクジェットプリンターで描きます。１台のプリンターでチップの作製プロセスをすべて実現できれば、よりコストを抑えることができますからね」。

紙のチップの作製工程の中でもとくに難しいのが、多様な機能をもつセンシングインクの開発である。それには、化学でつくる新しい機能性ナノ粒子材料の開発が不可欠である。
「プリンターのノズルでは吐出できる液体の粘度や粒子の大きさには制限があるうえ、水に溶かしたサンプルが流れてしまうことなく検査領域にちゃんと固定され、均一で再現性のある色変化を起こすようにしなければなりません。そこで、インクにポリマーを使うなどして、サンプルの紙への吸着を促すといった工夫が必要なのです。まだまだ化学的・物理的な課題はありますが、将来的には家にある普通のプリンターですべてがつくれるようなシステムが開発できたらいいですね」。
もう１つ、チッテリオさんが腐心しているのが、紙の基板の上に描く 500μmほどの流路のパターン設計だ。
「ポリスチレンという疎水性の高いポリマー溶液につけて乾かしたろ紙に、ポリスチレンを溶かす有機溶媒のトルエンをインク代わりにして、パターンを印刷して流路をつくります。つまり流路の部分だけが親水性になるわけですね。その上から、化学センシングインクを印刷し、チップをつくる。パターンをうまく設計できれば、１枚の紙にいくつもの検査項目を入れることが可能になります」。
現在、トルエンよりもさらに環境にやさしい材料を用いてパターンを描く方法も研究中で、数年内の実用化に向け、研究を加速している。

ええ。最初はほとんどしゃべれなくて、日常の買い物にも困るほどでしたが、週1回の日本語家庭教師や学生とのコミュニケーションを通じて徐々に上達しました。とくに学生とのやりとりが一番効果的でしたね。でも、こちらに来て驚いたのは、日本の学生が思った以上に英語がしゃべれなかったこと。当初は、互いに英語と日本語で筆談しながら会話したものです。私は、いまだに漢字が苦手なんですけどね（笑）。
その後、2002年の秋にいったんスイスに戻り、大学で助教授として働き始めました。同時に、慶應の研究室でいくつか特許を出したことがきっかけで特許に興味をもつようになったので、もう一度大学に入りなおして勉強し、弁理士の資格を取りました。昔は、研究者は研究に専念し、特許を取ることなど研究の邪魔だと考えられていましたが、今の時代は違います。自分たちが手がけた研究を社会で活かすためには、特許についての知識をもつことはとても大事だと思います。
そうしたキャリアも携えて、その後、いったんスイスの化学メーカーに就職しました。でも、結局1年で辞めて、再び日本に戻りました。

大学の研究室で実験したり、論文を書いたり、自由な発想で研究に取り組んでいたのに、会社に就職したとたん、そうした生活がなくなったら、急に将来に対して不安を抱くようになってしまったからです。やはり自分は研究者に向いていると思いました。
実はそのときは、また日本に戻りたいと積極的に思っていたわけではないのです。ただ、すでに日本語が話せるようになっていたので、前回よりもやはり苦労が少ないだろうと思ったことと、慶應での4年半の研究生活がとても楽しく、よい印象をもっていたことが根底にはあったと思います。
そんな折、鈴木先生から新しいプロジェクトのお話をいただいて、2006年に再び、特別研究助教授として慶應義塾大学理工学部に戻ってきました。2009年度からは、専任の教員（准教授）になりました。このときに、以前よりもキャンパスに留学生が増えていたのに驚きました。それだけ国際化が進んだということでしょうね。
インクジェットプリンターによる紙のチップの研究には、2007年から取り組んでいます。慶應義塾大学は研究者にとって素晴らしい環境が整っている場所だと思います。

先祖が1800年代にイタリア北部から移住してきたためです。父はスイス出身、母はドイツとスイスの国籍をもっています。母国語はドイツ語です。
ちなみに、幼い頃から研究者に憧れていたわけではなかったと思います。パイロットになりたいと思っていたのですが、目が悪かったので断念しました。学校では、外国語（英語、フランス語、イタリア語、ラテン語）の成績がよかったこともあり、先生からは語学の勉強をしたらどうかと薦められていました。もちろん外国語の勉強をするのは好きだったのですが、それを仕事につなげたいとは思いませんでした。
研究者になったのには、隣のマンションに高校の化学の先生が住んでいたことが影響しているのかもしれませんね。よく学校まで車に乗せてもらって、化学の話を聞いたことを覚えています。それから、中学生用の化学の実験セットに夢中になったこともあります。実験に失敗して、部屋の壁紙が茶色に変色してしまったこともありましたね（笑）。とにかく実験するのが好きだったのです。