Development of nanowatt class bio-calorimeter for individual activity analysis

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06211
• Research Institution: Meiji University
• Principal Investigator: 中別府 修 明治大学, 理工学部, 専任教授 (50227873)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: バイオカロリメトリ / MEMS / 代謝熱 / 高感度熱測定 / 単一個体

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，MEMS技術，高安定増幅技術，高度温度制御技術を用い，バイオカロリメータにおいて，1nWレベルの発熱計測性能を達成し，顕微観察手法と組み合わせ，微生物等の単一生体試料の生体イベントに関する直接代謝熱測定技術を提供することを目的としている。
2017年度には，バイオカロリメータの改善として，高感度MEMSサーモパイルの開発，計装アンプの並列化によるノイズ・ドリフト量の低減，銅製鍋を3重に重ねた恒温槽の製作，恒温槽のPI温度制御の改良によるノイズ低減と静定時間の短縮，低発熱性密閉試料セルの開発，を行った。これらによって，熱量計測の24時間ドリフト量を20nWレベルまで低減することができた。市販の等温熱量計では，24時間で40nWのドリフト量が報告されており，これはカロリメータの安定性に関して高く評価できるものである。
バイオ試料の発熱測定としては，酵母菌の培養液中での増殖過程を計測し，酵母菌1000個の代謝活動に相当する20nWレベルからの指数関数的増殖を捉えることができた。上記の改良により，研究開始前の約1/5の微量熱量の安定な測定ができることが確認できた。
また，ブラインシュリンプの乾燥卵の孵化過程の計測も実施し，100nWレベルの発熱と数10nWの変動をとらえることができた。今後，熱量測定と顕微観察の同時アプローチによって，乾燥卵の吸水，卵からの孵化，幼生の活動，脱皮などのイベントと発熱挙動との対応を明らかにしていくことが期待される。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

バイオカロリメータの高感度化に関して，20nWレベルの安定性を達成している。外部環境の熱的ノイズが少ない場合にはノイズレベルが7nW程度であることも確認している。目標とする1nWレベルの熱量計測には，サーモパイルセンサの2倍程度の高感度化，恒温槽の安定性の2倍程度の向上が必須であるが，サーモパイルの高集積化，恒温槽の熱伝導性の向上により取り組む。
また，感度の向上に伴い，オフセット量の同定レベルの重要性が新たな課題として明らかになってきた。これは，熱量計測時のベースラインが試料セルの形状，設置の仕方で変化するため，ベースラインが試料の代謝特性から決定できない場合，変化量は読めても絶対値として発熱量が決められない問題である。この解決には，サーモパイルを通らずに試料セルからセンサホルダーへ逃げる熱量の同定が必要であり，2枚のサーモパイルで試料セルを挟む構造を検討している。

Strategy for Future Research Activity

当初の予定通り，バイオカロリメータの計測レベルを1nWまで引き下げる改良を行い，顕微観察との組み合わせを行う。計測能の向上では，サーモパイルの集積度の向上，試料セルの上下で熱量を計測する工夫の導入，恒温槽の熱伝導性の向上を実施する。顕微観察では，試料に光を与える行為がµW～mWレベルの熱入力としてノイズになるため，ISO感度200,000程度の高感度カメラの利用を視野に入れて進める。
また，装置開発の成果を調べるために，酵母菌の増殖過程，ブラインシュリンプの孵化過程，種子の発芽過程，ゼブラフィッシュの受精卵の卵割過程等について，ナノワットレベルの代謝計測実験を行う。