2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of integrated optical biosensor using SOI photodiode with SP antenna
| Project/Area Number |
18K04261
|
|---|
| Research Institution | Shizuoka University |
|---|
Principal Investigator |
佐藤 弘明 静岡大学, 電子工学研究所, 助教 (00380113)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
猪川 洋 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (50393757)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 集積化バイオセンサー / ラベルフリー / 表面プラズモンアンテナ / SOIフォトダイオード |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、提案した集積化光学バイオセンサーにおける検体の屈折率変化に対する測定限界（雑音等価屈折率変化）が、既存で大型な光学バイオセンサーよりも同等かそれ以下に到達させることが肝要である。昨年度まで得られた屈折率変化の測定限界は1×10の-5乗 RIU (RIUは屈折率単位）で、他の光学バイオセンサーの性能に比肩しうる値ではあるものの、10の-6乗台を目標としている。そのためには、屈折率変化に対する感度の向上と雑音レベルの低減が必要となる（測定限界 ＝ 雑音レベル ／ 屈折率変化に対する感度）。試作直後のデバイスの雑音レベルは、検体を導入していない状況ではそれほど大きくなかったため、主要な問題は検体水溶液の環境揺らぎであることを想定した。昨年度は検体の温度変化に伴う影響を調査し、温度測定用ダイオードを追加して温度補償を行ったところ、測定の再現性を確保できた。本年度はこれに加え、検体容量を減らして測定する方式を新たに検討した。具体的には垂直入射による測定が可能となるかを検討した。従来はデバイスに対して光を斜めに入射する方式を基本としていたが、斜め入射の場合は検体封止のためのカバーを斜めに配置しなければならず、余分な検体導入領域が避けられない。一方、垂直入射では検体封止用のカバーがデバイスと平行にできるため、余分な領域を削減しやすい。まず、屈折率変化に対する感度を電磁界シミュレーションによって見積もったところ、斜め入射の場合と同程度の感度を確保できることを見出した。また、生体分子間相互作用を想定したSPアンテナ近傍のわずかな屈折率変化に対しても同様であった。検体導入領域の低減は、検体試薬の節約や試薬置換時間の短縮化、および測定光学系の簡素化に寄与する。この成果を受けて、来年度は垂直入射による生体分子相互作用の測定を進めて、提案バイオセンサーの潜在能力を明らかにする。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
生体分子結合の測定における意図しない信号変化を抑制することを目的に、検体導入領域を低減する測定方式を新たに検討した。具体的には光を垂直に入射させる測定方式の導入で、従来の斜め入射方式では避けられなかった余分な検体導入領域を削除できる。まだシミュレーションによる設計が終わった段階ではあるが、十分な屈折率変化に対する感度を確保できることや、生体分子の結合に伴うわずかな屈折率変化であっても検出可能であることが見込まれている。
加えて金薄膜表面上へ生体分子を固定化する手順を確立するため、薄膜測定技術であるエリプソメトリーを利用した膜厚測定を重ねた。具体的には金表面に自己組織化分子膜であるシステアミンを固定化したのち、生体分子のビオチンとアビジンの順番で固定化した際の膜厚を測定した。調合試薬の濃度や固定化の時間を調整し、観測を重ねて再現性を分析することで、信頼性が確保されうる条件を見出した。
本研究で提案する集積化バイオセンサーの目標性能を達成するため、必要な要素の検討でそれぞれ進展が見られることから、おおむね順調に進展しているといえる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
光を垂直に入射させる測定方式による測定を実際に行って性能評価を行う。特に検体導入領域の低減に伴う雑音レベルと屈折率変化に対する感度を評価し、それぞれの性能が向上するかを調査する。光を斜めに入射させた従来方式の測定結果と比較し、新方式の潜在能力を多角的に評価する。雑音レベルの低下については、デバイス作製において意図しない要因がなかったかを整理するため、作製デバイスの分析を外注によって詳細に調査する。
また生体分子結合の測定においては、高い親和性を有するアビジン－ビオチン結合の検出を基本とし、従来方式と新方式の測定を繰り返すことで、これまで問題となっていた意図しない信号変化がどの程度で抑制できるのかを重点的に調査する。意図しない信号変化の抑制方法を具体的に検討し、作製工程に反映させる。その上で、インフルエンザウイルス等、多種の生体分子結合を測定することによって、本研究における光学バイオセンサーとしての位置づけと潜在能力を明示する。
|
