2019 Fiscal Year Research-status Report
Creation of Silicon Nanowire Biosensor with Attomolar(aM) Sensitivity for Early Diagnosis of Infectious Disease
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19K23598
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
張 慧 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (80794586)
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2019-08-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 超高感度シリコンナノワイヤバイオセンサ / 多機能型マイクロ流体チップ / 多チャンネル同時計測 / 感染症の早期診断 / 電子デバイス・機器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ウイルスを低侵襲かつ高感度に検出するため、シリコンナノワイヤ(SiNW)バイオセンサ構造の最適化によるサブaM感度バイオセンサの創製を目的とする。2019年度は、以下の3項目を実施して、以下の成果を得た。
(1)電子線（EB）描画及び反応性イオンエッチング（RIE）条件の最適化によるSiNWの細線化:ネガ型HSQレジスト及びEB描画装置(JSM-6500-F)を使用し、HSQの膜厚及びEB描画の露光量の最適化により、ソースとドレイン電極間に幅約25 nmのHSQ NWの形成を確認した。そして、HSQ NW列をマスクとしてRIEによるSiNWを形成した。エッチングガスの導入量、高周波電力等を調整した結果、幅約11 nmのSiNWが形成できた。
(2)SiNW内部の不純物濃度が検出感度に及ぼす影響の分析:有限要素解析ソフト（COMSOL）を用いて、異なる不純物濃度を持つSiNWにおける生体分子付着前後の抵抗変化率を予測した。不純物濃度の低下と共に、生体分子をSiNW表面に付着した時に抵抗変化率が増大する傾向が分かった。実験でドーパント剤の希釈濃度、SOI基板上にコーティングしたドーパントの膜厚及び熱拡散温度を変化させて、異なる不純物濃度を持つSiNWバイオセンサを試作した。
(3)抗原抗体特異的結合によるセンサの検出感度評価：細線化した幅11 nmのSiNWセンサを用い、抗原抗体特異的結合によるセンサの検出感度評価を行った。結果として、卵白アルブミン修飾したSiNWバイオセンサを用いて、濃度6 aMの超低濃度免疫グロブリンG(IgG)の特異的な検出が確認できた。また、IgG濃度の増加に伴ってSiNWに流れる電流の連続的な減少を確認した。
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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
前記(1)のEB描画及びRIE条件の最適化によるSiNW細線化では、HSQレジストの膜厚及びEB描画露光量の最適化により、電極間に幅25 nmのHSQ NWを形成した。そして、RIE条件の調整により、HSQ NWをSOI基板の表面Si層へ転写する際にNW側面のエッチング効率が上がったため、幅11 nmのSiNWが形成できた。これまでのSiNWバイオセンサの開発事例に関して、報告された一番細いSiNWの幅は20 nm程度であるため、幅11 nmのSiNWの形成は大きな進捗であると考えている。なお、目的とする幅10 nm以下のSiNWの形成がまだ実現できなかった。今後はEB描画条件の再検討及びEB描画法と自己組織化法融合技術により、幅10 nm以下のSiNWの形成を目指す。
前記(2)のSiNW内部の不純物濃度が検出感度に及ぼす影響の分析では、生体分子を高感度に検出する可能な不純物濃度を明らかにするため、理論計算及び実験の両面で研究を進めた。COMSOL有限要素解析法で予測した結果によって、不純物濃度の低下と共に生体分子がSiNW表面に付着した時に抵抗変化率が増大する傾向が分かった。実験では不純物熱拡散条件を変化させて、異なる不純物濃度を持つSiNWバイオセンサを作製した。一部のSiNWバイオセンサを用いて生体分子検出感度を評価したが、2020年度に不純物濃度が検出感度への影響を続けて調べる予定である。
前記（3）の抗原抗体特異的結合によるセンサの検出感度評価では、細線化した幅11 nmのSiNWバイオセンサを用い、NW表面修飾を施した上で、抗原抗体特異的結合による6 aMの超低濃度の免疫グロブリンG（IgG）検出に成功した。サブ10 aMレベルの検出感度の実現は大きな進捗であると考えられる。
以上の理由より、総合的にはおおむね順調に進んでいると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は以下の項目について研究を進める予定である。
(1)幅10 nm以下のSiNWバイオセンサの作製：① HSQレジストを更なる薄膜化にし、EB描画条件の調整により、HSQ NW幅を20 nm以下へ低減させる。その後、RIEでHSQ NWをSi層へ転写し、幅10 nm以下のSiNWを形成する。②EB描画法及び自己組織化法の融合技術を用い、電極間にブロックコポリマーNWを形成し、最適化したRIEプロセスで10 nm以下のSiNWを形成する。③細線化したSiNWにおける最適な不純物濃度を求める。
(2)多機能型マイクロ流体チップの創製：3Dプリンター、3D加工機を組合わせてマイクロ流路型を作製し、そこに脱泡機で撹拌脱泡したPDMSを流し込んでマイクロ流体チップを作製する。採集した検体溶液中の夾雑物を除去するため、マイクロ流体チップ内に開口幅が数μm幅のフィルタを形成する。マイクロ流体チップの分離部で酸、界面活性剤などを投入してウイルスを分解することで、僅か1個のウイルスから数100個のエピトープ（ウイルス表面の抗体認識部位）を分離する。分離されたエピトープがセンサの表面に輸送され、センサ表面に修飾した抗体との結合により、ウイルスを検出する。
(3)検出系の構築及び実際のウイルスの検出：申請設備のソースメータ(ケースレー2450)を用いた微小電流の測定によって、微量なウイルスを検出する。さらに、モニタリングするためソースメータの測定データをデータ集録システムとソフト（LabVIEW）で連続集録システムを構築する。
上記の研究は主に申請者が実施するが、群大曾根逸人教授の設備を利用させていただくとともに、ご助言を得ながら進めていく。また、試料採集、ウイルス分解法、SiNW表面修飾法の確立は、群大医学部の大嶋紀安助教、帝京平成大学の和泉孝志教授からご指導を受けながら、実施する予定である。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由：(1)2019年年度末にSiに不純物を添加するためのドーパント試薬を購入したが、納品が遅れ、年度を越えてしまったため、2019年度の研究費に未使用額が生じた。(2)英語論文についての校正費と掲載料は今年度末までに投稿準備が完了しなかったため，計上しなかった。
使用計画：上記(1)の試薬が次年度に納入されるため、次年度の予算から支出予定である。上記(2)の予算について、現在投稿準備中の英語論文の英文校正費と掲載料に支出予定である。
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Research Products
(4 results)
