2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of in vivo biosensing system based on diamond electrodes
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17J02923
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
浅井 開 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 電気化学 / バイオセンシング / ダイヤモンド / 微小電極 / 電解研磨 / boron-doped diamond / FSCV |
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| Outline of Annual Research Achievements |
まずガラスのみによるダイヤモンド微小電極の絶縁手法の開発に取り組んだ．温度コントローラーとパワーリレーを組み合わせた回路を作り，自動で加熱時間をコントロールできるシステムが完成した．その結果，ほぼ 100% の割合で電極の絶縁が可能となった．
上記と並行し，本テーマの基盤技術である Fast scan cyclic voltammetry (FSCV) を行うための計測ソフトウェアの開発に取り組んだ．習得が容易とされるグラフィカルなプログラミング言語 LabVIEW を用いたもののプログラミング自体に不慣れなため習得までには時間を要した．しかし，汎用性の高い LabVIEW を習得したことで様々なシステムの自動化ができるようになったことは大きな収穫である．このシステムを用いて．ダイヤモンド微小電極により FSCV 測定が可能であることを確認した．
以上により FSCV が行えるようになったため，FSCV の反応性を左右するダイヤモンド電極の表面状態の制御に進んだ．まず大まかな傾向をつかむため，ダイヤモンド中の sp2 炭素不純物の割合，ホウ素ドープ率，および表面終端の明確に違う電極で FSCV を行ったところ，sp2 炭素の割合が電極の反応性に大きく寄与することがわかった．FSCV はミリ秒オーダーの速い測定であるため，測定分子 (ドーパミン) の電極表面への吸着量が反応性を左右する．このことより，測定分子はダイヤモンド構造 (sp3炭素) には吸着しづらく，主に sp2 炭素に吸着しやすいと考えられる．したがって，FSCV の反応性を向上させるには，合成ダイヤモンド中への sp2 炭素の導入量を制御する必要があると言える．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
昨年度の研究計画として，(1) 微小電極の絶縁手法の確立，および (2) 測定ソフトウェアの開発を当初予定していた．そのいずれもが達成できたため，計画通りに研究が行われていると言える．しかしながら，その間に習得した技術，および得られた周辺知識が期待以上の成果であった．例えば，プログラミング言語 LabVIEW が扱えるようになったことで，本来の目的である測定ソフトウェア開発に加え，微小電極作製時の電解研磨を自動化することができた．以前は研磨後の微小電極径は 10-30 um ものばらつきを持っていたが，電解研磨の自動化によりそのばらつきを 5 um ほどに抑えることができるようになった．また電極基材の大きさが安定したことで，その基材上へのダイヤモンドの成長も安定して行えるようになった．マイクロメートル以下の微小な領域のものづくりにおいては，自動化による加工精度の向上が要になるということも身をもって学ぶことができ，LabVIEW の習得は大きな収穫であった．
このように安定して微小電極の作製が可能になったことで，がん腫瘍中のグルタチオンレベルの測定 (国立がん研究センター東病院等との共同) と薬物動態の局所測定 (新潟大学 日比野 G との共同) など，他グループとの共同研究によりダイヤモンド微小電極の生体測定への応用も着実に進展した．
以上のように，本来の計画に加え本研究以外にも適用しうる副次的な成果が得られたため，昨年度の進捗は期待以上と考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
ダイヤモンド微小電極への sp2 炭素不純物の導入量の制御に取り組む．そうした制御を達成するためには，電極が微小であるため，(1) 電極作製，および (2) ダイヤモンドの成膜の二点において，再現性の高い操作を行う必要がある．(1) に関しては，上記で述べた電解研磨装置の自動化に加え，電極の曲がりの補正，定尺でのカットの精度などを改良し，電極形状のさらなる安定化を目指す．具体的には，電極の曲がりを矯正しながら定尺でカットをする治具の作製を行う．電極形状の再現性は (2) にも極めて大きな影響を与えるため，ここでの再現性を可能な限り向上させる．
(2) に関しては，ダイヤモンド成膜時のパラメーターによる制御を試みる．ダイヤモンド成膜のパラメーターにはチャンバー圧力，基材温度，そしてガス流量など様々なものが存在するが，sp2 炭素不純物の導入に大きく影響を与えると思われる基材温度に注目して，sp2 炭素不純物の導入量の制御を目指す．
また，新たな微小電極作製手法の開発にも取り組む予定である．現在の電極作製手法は手作業が必要となるめ，ナノメートルオーダーに小さい電極の作製は難しい．現在ダイヤモンドの合成には化学気相成長法 (CVD) を用いているが，この合成手法自体から見直し，ナノメートルサイズのプローブ型電極作製方法を開発していく．
上記と並行して，他グループ，特に生物・医学系のグループと生体内測定システムの研究を進める．特に，本研究の最終目標である，動き回る動物の体内での測定を念頭に，電極の小型化や強度向上，あるいはデータ通信方法の検討などにも取り組み始める．
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