Single bacteria sensing using nonlinear electrical impedance response in high electric field created in nano-scaled space

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02160
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21030:Measurement engineering-related
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Yamamoto Takakatoki 東京工業大学, 工学院, 准教授 (20322688)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: インピーダンス測定 / ナノポア / 単一粒子 / ウイルス / バクテリア / 交流測定 / ナノ流体 / マイクロ流体

Outline of Final Research Achievements

Through the demonstration of the measurement of a single bacterial particle flowing in a microfluidic channel, we have demonstrated the electrical impedance measurement of a single bio-nanoparticle under a high electric field. Furthermore, we developed an analysis method to identify bacterial species from the measurement data using machine learning, and pioneered the realization of a "growing sensor," in which artificial intelligence grows in accordance with the amount of measurement and improves the classification performance of bacterial species. As a result, it was clarified that even if the size and material are the same, impedance characteristics can be obtained depending on the surface condition. By utilizing these characteristics and also using machine learning, we have demonstrated that bacteria of almost the same size can be classified with an accuracy of more than 95%.

Free Research Field

バイオナノテクノロジー、ナノ流体システム、1分子計測、1分子操作、機械学習

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

交流型(AC)測定によるナノポア測定は世界初の実証例である。また、従来の直流型(DC)ナノポア測定と比較した場合、位相差の情報が新たに増えることから機械学習における正解率も高くなる傾向が得られており、用途によってはACナノポア法はDCナノポア法の上位互換になり得るものである。まだ概念実証の段階ではあるものの、既に95%以上の正解率を得られており、微生物センサとしての有用性を示すものである。本手法は1つのセンサで網羅的に無数のバクテリアやウイルスをセンシングでき、かつ、測定するほどにセンサAIが強化されて性能が向上する「成長するセンサ」として、その創出に先鞭をつけるものである。