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ナノテクノロジー時代のバイオ分離・計測技術

  • Technologies for Separation and Measurement in the Age of Nanotechnology
(2006年『ナノテク・バイオMEMS時代の分離・計測技術』普及版)

商品コード: B0971

  • 監修: 馬場嘉信
  • 発行日: 2011年8月
  • 価格(税込): 5,184 円
  • 体裁: A5判,322ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0355-0

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  • 集積化分析チップ,ナノ加工,電気泳動,タンパク質,質量分析,表面プラズモン,ゲノム解析,,,

刊行にあたって

 分離・計測は、科学・技術・医療・産業の根幹を支える基盤技術として極めて重要であり、古くから様々な技術が研究・開発され各産業分野で応用されてきました。しかし、昨今のナノテクノロジー・バイオMEMSの進展により分離・計測技術においても大きな技術革新が起こってきました。特に、ナノテクノロジーのバイオ応用の一環としてナノ・マイクロテクノロジーを活用したバイオ分離・計測技術の研究開発が急速に進展してきています。さらに、これらの技術は、ポスト・ゲノム時代を迎えている現代において、バイオ・医療・健康・環境・食品などの分野への応用展開が図られ、モバイル・ウェアラブルな健康・医療診断技術などを始めとしてこれまで実現不可能であった技術を生み出しているだけでなく、新たな産業を創出するとともに、少子高齢化社会における健康寿命の延伸など、我々の生活そのものに大きな変革をもたらそうとしています。
 本書は、急速に進展しつつある、バイオ分離・計測技術の最先端研究・開発についての基礎から応用まで包括的な情報を提供することを目的としています。まず、総論において、ナノテクノロジー時代のバイオ分離・計測技術の新展開について概説するとともに、分離および計測技術の基本原理について解説しています。さらに、バイオ分離・計測技術の基盤・要素技術として、最近進歩の著しいナノテクノロジー・バイオMEMSを基盤とした技術と分離・計測それぞれの新規技術について解説しています。最後に、これらの基盤・要素技術に基づいた応用・開発例について、バイオ・医療・環境・食品などの領域における最先端の研究動向をまとめて紹介するとともに、将来産業応用が期待される次世代技術についても紹介しています。本書においては、バイオ分離・計測技術の基礎と応用の分野で世界最先端の研究・開発を進めておられる産学官の先生方に、ご多忙な中、御執筆を頂きました。これらの先生方に心から感謝するとともに、本書が、研究進展の著しいバイオ分離・計測技術の最先端の状況を理解するとともに、当該分野および関連分野の企業・大学等の研究者、技術者、学生の今後の研究・開発の一助になれば幸いです。

2006年2月  馬場嘉信

<普及版の刊行にあたって>

 本書は2006年に『ナノテク・バイオMEMS時代の分離・計測技術』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2011年8月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

馬場嘉信   (現)名古屋大学 大学院工学研究科 教授
田畑 修   (現)京都大学 大学院工学研究科 教授
庄子習一   (現)早稲田大学 理工学術院 教授
藤田博之   (現)東京大学 生産技術研究所 副所長・マイクロナノメカトロニクス国際研究センター長
久米村百子  東京大学 生産技術研究所 研究機関研究員
榊 直由   東京大学 生産技術研究所 産学官連携研究員
箕浦加穂   (現)アジレント・テクノロジー(株) ライフサイエンス部門 バイオアプリケーショングループ シニアアプリケーションスペシャリスト
北川文彦   (現)京都大学 大学院工学研究科 材料化学専攻 講師
大塚浩二   京都大学 大学院工学研究科 材料化学専攻 教授
舘 知也   (現)名古屋大学 大学院工学研究科 化学・生物工学専攻 研究員
小野島大介  (現)名古屋大学 革新ナノバイオデバイス研究センター 特任助教
加地範匡   (現)名古屋大学 大学院工学研究科 助教
長田英也   (独)産業技術総合研究所 健康工学研究センター 生体ナノ計測チーム 博士研究員
        (現)(株)島津製作所 基盤技術研究所 分子イメージングユニット 嘱託社員
田渕眞理   徳島大学大学院 ヘルスバイオサイエンス研究部 COE特任講師
        (現)立教大学 理学部化学科 准教授
平野 研   (独)産業技術総合研究所 健康工学研究センター 生体ナノ計測チーム 研究員
        (現)(独)産業技術総合研究所 健康工学研究部門 生体ナノ計測グループ 主任研究員
末永智一   (現)東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 教授
中村 伸   (株)島津製作所 分析計測事業部 ライフサイエンスビジネスユニット・ライフサイエンス研究所 プロダクトマネージャ 兼 主任研究員
栗原一嘉   (現)福井大学 教育地域科学部 准教授
中西博昭   (株)島津製作所 基盤技術研究所 主幹研究員
        (現)Shimadzu Research Laboratory (Europe) Ltd. Managing Director
村上裕二   東レ(株) 先端融合研究所 研究員
        (現)広島大学 ナノデバイス・バイオ融合科学研究所 特任准教授
鄭 基晩   (現)東レ(株) 先端融合研究所 主任研究員
日笠雅史   (現)東レ(株) 先端融合研究所 主席研究員
片山佳樹   (現)九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 教授
掛樋一晃   近畿大学 薬学部 教授
木下充弘   (現)近畿大学 薬学部 生物情報薬学研究室 講師
関  実   (現)千葉大学 大学院工学研究科 共生応用化学専攻 教授
小川洋輝   (株)アドビック
長井政雄   (株)アドビック
堀池靖浩   (独)物質・材料研究機構 フェロー
前田瑞夫   (現)(独)理化学研究所 基幹研究所 主任研究員
伊藤寿之   (独)理化学研究所 中央研究所 前田バイオ工学研究室 協力研究員
黒澤竜雄   (現)和光純薬工業(株) 臨床検査薬研究所 主席研究員
里村慎二   和光純薬工業(株) 臨床検査薬事業部 事業開発本部 副本部長
        (現)和光純薬工業(株) Mountain View,R and D Center President
伊永隆史   (現)首都大学東京(旧 東京都立大学) 大学院理工学研究科 教授
正木浩幸   首都大学東京(旧 東京都立大学) 大学院理工学研究科
大和雅之   (現)東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 教授
成瀬恵治   (現)岡山大学 大学院医歯薬学総合研究科 システム生理学講座 教授
服部明彦   (現)日本板硝子(株) 技術研究所 研究所長
桑原孝介   (現)(株)日立製作所 材料研究所 電子材料研究部 研究員
宮内昭浩   (現)(株)日立製作所 材料研究所 環境材料プロセス研究部 主管研究員
川浦久雄   日本電気(株) 基礎・環境研究所 主任研究員

執筆者の所属表記は,注記以外は2006年当時のものを使用しております。

目次

【I 総論】
第1章 ナノテクノロジー・バイオMEMSがもたらす分離・計測技術革命
1. はじめに
2. 分離・計測の基盤・要素技術
3. 分離・計測技術の応用・開発
4. おわりに

【II 基盤・要素技術】
第1章 バイオ分離・計測のための基盤技術
1. 集積化分析チップの作製技術
1.1 はじめに
1.2 微細加工法の分類
1.2.1 材料の基本加工
1.2.2 加工の微細度と精度
1.2.3 加工エネルギー
1.2.4 基板材料の選択と微細加工コスト
1.3 微細加工法
1.3.1 パターニング
1.3.2 エッチング
1.3.3 基本プロセス
1.4 おわりに

2. マイクロ流体制御素子
2.1 はじめに
2.2 マイクロフルィディスク
2.3 マイクロポンプ
2.4 マイクロバルブ
2.5 ミクサ・リアクタ
2.6 サンプルインジェクタ
2.7 細胞・生体分子ソータ
2.8 おわりに

3. バイオ分離・計測のためのMEMS
3.1 MEMSナノ加工とその応用
3.1.1 ミクロの世界の機械
3.1.2 MEMS
3.1.3 MEMSの特長
3.1.4 MEMSのバイオ化学応用
3.2 MEMSナノピンセットによるDNA分子捕獲と操作
3.3 fL容器によるF1-ATPase単分子計測
3.3.1 F1-ATPaseとは
3.3.2 触媒反応効率の測定
3.3.3 fL容器を使った単分子計測について

第2章 バイオ分離の要素技術
1. チップ電気泳動
1.1 はじめに
1.2 チップ電気泳動の歴史的背景
1.3 チップ電気泳動の原理
1.4 チップ電気泳動の応用
1.5 DNAの分析
1.6 RNAの分析例
1.7 タンパク質の分析例
1.8 その他の応用例
1.9 全自動ハイスループット化
1.10 おわりに

2. チップクロマトグラフィー
2.1 はじめに
2.2 MC-EKC
2.2.1 MC-MEKC
2.2.2 MC-CDEKC
2.2.3 スウィーピングによるオンライン試料濃縮
2.3 MC‐EC
2.3.1 中空流路型MC-EC
2.3.2 充填型固定相を用いたMC-EC
2.3.3 モノリス型固定相を用いたMC-EC
2.3.4 微細加工による構造物を利用したMC-EC
2.4 MC-LC
2.4.1 ナノLCチップの構造
2.4.2 ナノLCチップにおけるペプチドの分離
2.5 マイクロチップガスクロマトグラフィー(MC-GC)
2.6 チップクロマトグラフィー技術の展望

3. チップ多相流分離
3.1 はじめに
3.2 マイクロ空間およびマイクロ多相流の特徴
3.3 マイクロ多相流の形成
3.4 マイクロ多相流を利用した分離・分析例
3.5 おわりに

4. チップ遠心分離
4.1 はじめに
4.2 チップ遠心法の技術
4.2.1 遠心力ポンプとキャピラリーバルブ
4.2.2 サイホン効果と定量分注
4.3 遠心分析チップを利用した計測
4.4 おわりに

5. ナノ分離技術
5.1 はじめに
5.2 バイオとナノテクノロジーのサイズ領域
5.3 エントロピー障壁を利用したDNA分離法
5.4 ナノチャネル内への閉じ込めによるDNAの伸張
5.5 ナノピラーを用いたDNA分離法
5.6 ナノ粒子を用いたDNA分離
5.7 超常磁性ナノ粒子を用いたDNA分離
5.8 おわりに

第3章 バイオ計測の要素技術
1. マイクロ蛍光計測
1.1 はじめに
1.2 蛍光の基本原理
1.3 マイクロ蛍光計測システム
1.4 1分子・単一細胞蛍光計測システム
1.5 おわりに

2. マイクロ光熱変換計測
2.1 はじめに
2.2 分光法
2.3 光の吸収と放出
2.4 光熱変換計測
2.5 熱レンズ分光法
2.6 マイクロ分析へ
2.7 おわりに

3. マイクロ電気化学計測
3.1 はじめに
3.2 ディスク型マイクロ電極
3.2.1 ディスク型マイクロ電極の特徴
3.2.2 微小ディスクアレイ電極の挙動
3.2.3 ディスク型マイクロ電極を用いた局所反応の評価
3.3 交互くし型マイクロ電極
3.3.1 交互くし型マイクロ電極の特徴
3.3.2 フロー系での電極応答
3.3.3 修飾交互くし型電極
3.4 走査型電気化学顕微鏡(SECM)
3.4.1 SECMの特長
3.4.2 SECMを用いた生体材料の機能評価

4. 質量分析とマイクロ分離
4.1 はじめに
4.2 マイクロ分離デバイスとESI-MS
4.2.1 ダイレクトエミッタ法
4.2.2 キャピラリーエミッタ法
4.2.3 ESIチップ
4.3 マイクロ分離デバイスとMALDI-MS
4.3.1 MALDI-MSプレートへのフラクション法
4.3.2 MS前処理機能チップ法
4.4 機能を集積したマイクロ分離デバイスとMS
4.4.1 ビーズ充填型機能集積デバイス
4.4.2 機能性ポリマー充填型デバイス
4.4.3 HPLCデバイス
4.5 新しいコンセプトを取り入れたマイクロ分離とMS
4.5.1 CDデバイス技術
4.5.2 ケミカルプリンティング法

5. 表面プラズモン共鳴計測
5.1 はじめに
5.2 原理と概念
5.3 生体高分子間相互作用の速度論解析
5.4 金属薄膜
5.5 最近の新しい展開
5.6 おわりに

【III 応用・開発】
第1章 バイオ応用
1. ゲノム解析
1.1 はじめに
1.2 DNAシークエンス
1.3 ゲノム解析の新技術
1.3.1 マイクロチップ電気泳動装置
1.3.2 DNAチップ
1.3.3 革新的シークエンシング技術
1.4 おわりに

2. プロテオーム
2.1 はじめに
2.2 臨床プロテオーム解析
2.3 微小デバイスによるプロテオーム解析支援
2.4 ポストプロテオーム解析を見据えた微小デバイス開発
2.5 マイクロチップ電気泳動
2.6 前処理・試料濃縮
2.7 おわりに

3. 細胞内ネットワーク解析
3.1 はじめに
3.2 2次元電気泳動とネットワーク解析
3.2.1 2次元電気泳動によるシングルネットワークの帰属法
3.2.2 タンパクの存在パターンによる解析
3.2.3 2次元電気泳動を用いるその他のアプローチ
3.2.4 2次元電気泳動の利点と問題点
3.3 ネットワーク解析のための細胞アレイ
3.4 ネットワーク解析のためのプロテインアレイ
3.5 細胞内シグナルの網羅的解析用ペプチドアレイ
3.6 おわりに

4. グライコーム解析
4.1 はじめに
4.2 グライコーム解析
4.2.1 グライコーム解析の必要性
4.2.2 グライコーム解析の難しさ
4.2.3 グライコーム解析を目指す糖鎖分析法
4.3 キャピラリー電気泳動によるグライコーム解析へのアプローチ
4.3.1 キャピラリー電気泳動による複合糖質の高分解能分離
4.3.2 血清糖タンパク質のグライコーム解析
4.3.3 キャピラリー電気泳動による糖鎖の高速プロファイリング
4.4 マイクロチップ電気泳動による糖鎖分析
4.5 おわりに

5. マイクロチップ上での細胞解析(関実)
5.1 マイクロチップ上での細胞操作と細胞解析
5.2 マイクロアレイを用いた細胞操作と細胞解析
5.2.1 細胞と材料の相互作用を利用して構築する細胞マイクロアレイ
5.2.2 マイクロ流路構造を利用して構築する細胞マイクロアレイ
5.2.3 電磁場などの外力を利用して構築する細胞マイクロアレイ
5.3 マイクロフローサイトメーター
5.3.1 細胞の整列と計測
5.3.2 細胞の分取
5.4 新しい原理に基づく細胞の分離と濃縮
5.4.1 PFF法による細胞分級
5.4.2 PFF法の分級精度の向上
5.4.3 細胞の濃縮と分級
5.5 おわりに

第2章 医療・診断,環境応用
1. 血球・血漿分離チップ
1.1 はじめに
1.2 無痛針の作製と電子採血
1.3 バイオセンサ
1.4 チップ構造
1.5 ヘルスケアチップ計測の動作
1.6 おわりに

2. 遺伝子診断チップ
2.1 はじめに
2.2 遺伝子診断
2.3 流路型マイクロチップによる遺伝子診断
2.4 ナノテクノロジーの利用
2.5 アフィニティーマイクロチップ電気泳動法
2.6 自律型マイクロチップの適用
2.7 おわりに

3. 高感度キャピラリー電気泳動イムノアッセイマイクロチップの開発
3.1 はじめに
3.2 キャピラリー電気泳動
3.3 DNA標識抗体
3.4 検体濃縮
3.5 高感度キャピラリー電気泳動イムノアッセイマイクロチップ
3.6 おわりに

4. ストレス診断チップ
4.1 はじめに~ストレス診断チップの意義~
4.2 なぜ医療・診断応用にナノテクノロジーは必要か?
4.3 タンパク質の高速解析技術の開発
4.4 ナノ粒子を用いた分離技術の開発
4.5 細胞からタンパク質分離まで~ストレス評価のオンラインシステムズの開発~
4.6 ストレス診断チップの実用化
4.7 おわりに

5. 環境分析チップ
5.1 はじめに
5.2 マイクロチップの微細加工技術と実験時の安全対策
5.3 微量大気ガス捕集前処理マイクロチップの開発
5.4 固液抽出前処理機能マイクロチップの開発
5.5 液液抽出前処理機能マイクロチップの開発
5.6 濃縮前処理機能マイクロチップの開発
5.7 おわりに

第3章 次世代技術
1. 再生医療デバイス
1.1 はじめに
1.2 第一世代型組織工学
1.3 細胞シート工学
1.4 細胞シート工学による再生医療
1.5 将来技術
1.6 おわりに

2. 細胞研究用および医療診断用チップ
2.1 はじめに
2.2 ソフトリソグラフィーとバイオの話
2.2.1 ソフトリソグラフィーとは
2.2.2 ストレッチと機械受容チャネル
2.2.3 シェアーストレス(マイクロチャネルを用いた流体力学的研究)
2.2.4 マイクロコンタクトプリンティング法を用いた細胞形態制御
2.3 ソフトリソグラフィーを医学・医療に応用
2.3.1 再生医療
2.3.2 不妊症
2.4 おわりに

3. 携帯型高感度計測
3.1 はじめに
3.2 熱レンズ分光分析法
3.3 携帯型マイクロ化学チップ用熱レンズ検出器
3.4 おわりに

4. ナノ免疫アッセイチップ

5. ナノバイオチップ
5.1 人工ナノ構造による生体分子のサイズ分離
5.1.1 篩型分離
5.1.2 サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)分離
5.1.3 エントロピー勾配による反発力を利用したサイズ分離
5.2 一次元ナノチャネルを利用したDNA分子の伸張
5.3 ナノポアを用いたDNAシーケンシング
5.4 おわりに
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