2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of label-free bioimaging technology using organic field-effect transistor
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19H02587
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
堤 潤也 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30573141)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機薄膜トランジスタ / バイオセンサー / バイオイメージング / 非標識 / 変調分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、有機薄膜トランジスタのチャネル電荷密度分布を可視化する申請者の独自技術（ゲート変調イメージング技術）を応用し、蛍光プローブ等の標識を必要としない新原理のバイオイメージング技術を開発することである。有機薄膜トランジスタのチャネル電荷密度が吸着物質に敏感に応答することを利用し、吸着により変化した電荷密度分布をゲート変調イメージング技術で可視化することで、生体分子の非標識イメージングを実現する。
令和1年度は、電解質水溶液を用いた電気二重層トランジスタの開発に重点的に取り組んだ。これは、キャパシタンスが大きく、生体物質の吸着による大きな電荷密度変化が期待できることと、チャネルが水溶液に接するため、水溶液中に溶解した生体物質の検出に向くためである。リン酸緩衝液を半導体ポリマー膜の上に滴下し、ソース・ドレイン電極に金、ゲート電極に白金、参照電極にAg/AgClを用いた電気二重層トランジスタを作製した。研究開始直後、ドレイン電流が著しく小さいという問題があったものの、短チャネル化と櫛形電極の採用によりトランジスタ動作に成功した。さらに、電気二重層トランジスタを用いたゲート変調スペクトルの測定に取り組んだ。電気二重層トランジスタ用の分光測定セルは、令和1年度に導入した3D CADと3Dプリンタ―を用いて設計・作製した。P3HTと高移動度のDA型ポリマーであるPDVT-10について測定を行ったところ、双方について電気二重層の大きなキャパシタンスに由来する大きな電荷誘導吸収を観測した。特に、P3HTについては、水-半導体界面の膜構造の均質性に由来すると思われる強い誘導吸収（シリコン酸化膜をゲート絶縁膜に用いた場合の約100倍）が観測されたことから、ゲート変調イメージングの高感度化の目処をたてることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和1年度に実施した研究により、生体物質を溶解するのに一般的に利用されるリン酸緩衝液を用いた電気二重層トランジスタについて動作を確認し、さらにP3HTを半導体層に用いることでシリコン酸化膜をゲート絶縁膜に用いた場合の約100倍の強度の電荷誘導吸収を観測することに成功しており、令和1年度目標は達成された。
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| Strategy for Future Research Activity |
本提案のバイオイメージングは、トランジスタに交流のゲート電圧を印加する必要があり、その周波数特性が取得データの質を左右する。このため、R2年度は、電気二重層トランジスタの広帯域化のための素子構造の最適化に取り組む。さらに、電気二重層トランジスタを用いたバイオイメージングの実証実験も開始する。まず、生体物質に対する実験の前段階として、蛍光ビーズを測定試料とするイメージングに取り組み、蛍光顕微鏡を用いて得られたデータと比較することで、本提案の技術の妥当性を検証する。
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