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フォトニック結晶ナノレーザセンサの動作原理の探究と生体分析チップの実現

Research Project

Project/Area Number 15J08045
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Optical engineering, Photon science
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

渡部 工  横浜国立大学, 工学府, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2018-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2017: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywordsフォトニック結晶 / ナノレーザ / バイオセンシング / バイオセンサ / イオン感応性 / 親水性 / 表面電荷 / 電気光学効果 / タンパク質の電荷 / 電気化学センサ
Outline of Annual Research Achievements

本研究では発振波長のシフトをベースとしたフォトニック結晶ナノレーザによる超高感度タンパク質検出の原理解明を目的としており、本研究では新たな原理として、タンパク質由来の電荷がカギとなっていることを提案し、昨年度はナノレーザの発振波長が表面電荷の変化に応答していることを実験的に確認した。そこで今回はその原理を解明することと、実際に微量のタンパク質の吸着によっても同様に表面電荷の変化が生じているかを検証した。前者に対しては、昨年度と同様にプラズマ暴露によってセンサ表面を帯電させた後、センサを構成する半導体基板のゼータ電位とフラットバンド電位の時間変化を測定した。その結果、ゼータ電位では暴露直後は正に帯電し、時間経過で徐々に中性へと戻り、フラットバンド電位も同様に暴露直後は負にシフトし、時間経過で徐々に元の値に戻った。これら時間変化と昨年度得られた暴露後の発振波長の時間変化は同じ振る舞いを示し、確かに発振波長が表面電荷に応答していることを確認した。この原理としていくつか検討した結果、フラットバンド電位の変化によるショットキー障壁高さの変化と半導体内部でのキャリア効果が最も有力であった。そこでプラズマ暴露後のセンサからの発光スペクトルを測定すると、時間経過でキャリアの蓄積量が変化しており、考察を裏付ける結果が得られた。一方、センサを構成する半導体基板に対して実際のセンシングと同様の低濃度のタンパク質を吸着させると、ゼータ電位をフラットバンド電位が変化した。これは微量のタンパク質の吸着でもセンサにとって有意な変化をもたらし得ることを意味している。以上二つの検証結果を合わせることで、本研究で提案したように、電荷の効果が超高感度タンパク質検出の原理となっていることが示された。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2017 2016 2015

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Ion-sensitive photonic-crystal nanolaser sensors2017

    • Author(s)
      Watanabe Takumi、Saijo Yoshito、Hasegawa Yu、Watanabe Keisuke、Nishijima Yoshiaki、Baba Toshihiko
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 25 Issue: 20 Pages: 24469-24469

    • DOI

      10.1364/oe.25.024469

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sensitive and selective detection of prostate-specific antigen using a photonic crystal nanolaser2016

    • Author(s)
      S. Hachuda, T. Watanabe, D. Takahashi and T. Baba
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 24 Issue: 12 Pages: 12886-12892

    • DOI

      10.1364/oe.24.012886

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Evidence of photonic crystal nanolaser sensing surface charge2017

    • Author(s)
      T. Watanabe, Y. Saijo, Y. Nishijima and T. Baba
    • Organizer
      Int. Commission for Opt
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フォトニック結晶ナノレーザでのショットキー障壁の形成とその影響2017

    • Author(s)
      渡部工, 西條義人, 西島喜明, 馬場俊彦
    • Organizer
      応用物理学会春季講演会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] フォトニック結晶ナノレーザと溶液の界面での帯電物質の静電的影響2017

    • Author(s)
      渡部工, 西條義人, 田中淳大, 馬場俊彦
    • Organizer
      応用物理学会秋季講演会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 渡部工, 西條義人, 西島義明, 馬場俊彦2017

    • Author(s)
      フォトニック結晶ナノレーザのイオン感応性と超高感度タンパク質検出
    • Organizer
      電子情報通信学会集積光デバイスと応用技術研究会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] フォトニック結晶ナノレーザでのショットキー障壁の形成とその影響2017

    • Author(s)
      渡部工, 西條義人, 西島喜明, 馬場 俊彦
    • Organizer
      応用物理学会春季講演会
    • Place of Presentation
      東工大大岡山キャンパス
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Electrochemical sensing by photonic crystal nanolaser sensors2016

    • Author(s)
      Takumi Watanabe, Yuki Furuta, Shoji Hachuda, Yoshiaki Nishijima, Toshihiko Baba
    • Organizer
      Biosensors
    • Place of Presentation
      Gothenburg, Sweden
    • Year and Date
      2016-05-26
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フォトニック結晶ナノレーザでの電気化学センシング2016

    • Author(s)
      渡部工, 長谷川湧, 髙橋大智, 古田祐樹, 馬場俊彦
    • Organizer
      応用物理学会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-21
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Electrochemical sensing by photonic crystal nanolaser sensors2016

    • Author(s)
      T. Watanabe, Y. Furuta, S. Hachuda, Y. Nishijima and T. Baba
    • Organizer
      Biosensors
    • Place of Presentation
      Gothenburg
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Photonic crystal nanolaser as an iontronic sensor2016

    • Author(s)
      T. Watanabe, Y. Hasegawa and T. Baba
    • Organizer
      Int. Semicon. Laser Conf
    • Place of Presentation
      神戸メリケンパークオリエンタルホテル
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フォトニック結晶ナノレーザのイオン感応性の検証とその応用2016

    • Author(s)
      渡部工, 馬場俊彦
    • Organizer
      応用物理学会秋季講演会
    • Place of Presentation
      新潟県朱鷺メッセ
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] フォトニック結晶ナノレーザにおける試料吸着による屈折率変化の考察2015

    • Author(s)
      渡部工, 羽中田祥司, 西島喜明, 馬場俊彦
    • Organizer
      応用物理学会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2015-09-15
    • Related Report
      2015 Annual Research Report

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Published: 2015-11-26   Modified: 2024-03-26  

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