2018 Fiscal Year Research-status Report

High-Frequency Wireless Quartz Crystal Microbalance Biosensor Integrated with Feed Pump into a Single Chip

Research Project

Project/Area Number	17K01420
Research Institution	Nippon Institute of Technology
Principal Investigator	加藤史仁日本工業大学, 基幹工学部, 准教授 (70780170)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	バイオセンサ / 水晶振動子 / 無線駆動 / ナノインプリントリソグラフィ / 集積化 / 医用分析システム
Outline of Annual Research Achievements	癌などの難病の早期発見や抗体薬剤の創薬のツールの1つとして，Quartz crystal microbalance (QCM)バイオセンサがある．QCMバイオセンサは，水晶表面に検出対象物質が吸着することによる共振周波数シフトを検出する質量検出型センサであり，周波数変化の反応速度から，親和性を定量的に評価できる．QCMバイオセンサを用いた分析システムは，薄板水晶振動子のジグへの取り付けや，ジグと送液チューブの接続など，操作が煩雑であり大規模となる．本研究では，熱可塑性樹脂と直接接合が可能なPolydimethylsiloxane (PDMS)を用いた無線駆動QCMバイオセンサチップを開発した．また，このPDMS-QCMバイオセンサチップとの集積化を想定した磁性流体シール型電磁駆動小型ポンプを開発した．開発したPDMS-QCMバイオセンサチップは，PDMSを用いたナノインプリント技術で製作するため安価であり，また，環境にも配慮したバイオセンサチップである．このセンサチップを用いて，タンパク質の連続捕捉・解離実験を実施し，バイオセンサとしての有用性を示した．また，電磁駆動小型ポンプは，送液ロータとステータの間に取り付けたスラスト軸受けに，磁性流体シール構造を適用した．これにより，軸受け内部への溶液侵入を防ぐと同時に，軸受けを構成する転動体などの摩擦部品から生ずる磨耗粉の溶液中への混入を防ぐ．さらに，送液ロータは，電磁力によって非接触駆動するため，脈動を低減した円滑な送液が可能である．本研究において開発したPDMS-QCMバイオセンサチップと磁性流体シール型電磁駆動小型ポンプを集積化することで，QCMバイオセンサを用いた分析システムの小型化が可能となるため，Point of care testing (POCT)における有効なツールの実現が期待できる．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究課題では，QCMバイオセンサチップと送液デバイスの集積化が重要な研究要素である．現在までに，熱可塑性樹脂との直接接合が可能な無線駆動型のPDMS-QCMバイオセンサチップを開発し，タンパク質の連続捕捉・解離実験を通じて，バイオセンサとしての特性を明らかにし，有用性を示すことができた．具体的には，水晶表面に，レセプタとしてStaphylococcus aureus protein A (SPA)を非特異に固定化し，Bovine serum albumin (BSA)でブロッキングした．この状態を初期状態として，10μg/mlのImmunoglobulin G (IgG)を特異的に捕捉し，引き続き，Glycine-HCl buffer (GHB)でBSAとIgGを解離した．その後，再びIgGを特異的に捕捉した．これら捕捉と解離を連続的に行い検討した．また，PDMS-QCMバイオセンサとの集積化を想定した，熱可塑性樹脂製の部品で構成される磁性流体シール型電磁駆動小型ポンプを開発し，送液実験を通じて，スラスト軸受の磁性流体シールを維持しつつ，送液を実現できた．具体的には，送液媒体として純水を使用し，送液ロータの回転数が数100rpmにおいて，磁性流体によるシール機能が維持できることを確認できた．また，その時の流量は，数mL/minであった．以上のように，QCMバイオセンサチップと送液デバイスを切り分けて開発を推進し，本研究課題における重要な要素技術を確立することができた．こうしたことから，本研究課題は，おおむね順調に進展していると言える．
Strategy for Future Research Activity	本研究課題を推進する中で開発した小型ポンプの構成部品は，熱可塑性樹脂を使用して，3Dプリンタ技術のマテリアルジェッティング法で製作した．一方，無線駆動PDMS-QCMバイオセンサチップは，シリコン樹脂を使用して，ナノインプリント技術で製作した．今後の取り組みとして，まず，開発した小型ポンプと無線駆動PDMS-QCMバイオセンサチップを直接接合により結合し，液漏れ無く送液可能な集積化バイオセンサを創成する．直接接合の具体的な方策の一例として，接合面に対する酸素プラズマ処理がある．酸素プラズマ処理によって官能基を励起し，基材同士を貼り合せて水素結合させる．その後，熱処理を加えることで，酸素原子を介した共有結合による基材同士の直接的な接合を行う．これにより，接着剤などの媒体を必要としない，熱可塑性樹脂とPDMSの直接接合が可能となる．集積化バイオセンサを創成した後，タンパク質の捕捉実験を通じて，バイオセンサとしての性能について検討する．具体的には，レセプタとなるSPAを含む溶液を送液することで，水晶振動子表面に非特異吸着させ，その後，BSA溶液を送液することで，SPAが非特異吸着していないエリアをブロッキングする．この状態を初期状態として，ターゲットとなるIgGを含む溶液を送液することで特異的に捕捉する．その後，バッファ溶液を送液することで水晶振動子表面を濯ぐ．これらの一連のプロセスをリアルタイムに計測し，反応曲線と解離曲線から親和性を同定する．得られた結果と先行研究結果の比較を通じて，バイオセンサとしての性能を評価する．