2021 Fiscal Year Research-status Report

Development of ultrahigh-sensitive silicon nanowire biosensor for simultaneous detection of various biomolecules in a single drop of body fluid

Research Project

Project/Area Number	20K21879
Research Institution	Gunma University
Principal Investigator	曾根逸人群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (80344927)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	大嶋紀安群馬大学, 大学院医学系研究科, 助教 (30360514) 和泉孝志帝京平成大学, ヒューマンケア学部, 教授 (70232361) 張慧群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (80794586)
Project Period (FY)	2020-07-30 – 2023-03-31
Keywords	シリコンナノワイヤ / バイオセンサ / 超高感度検出 / 検査・診断システム / 医用システム
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、電子線リソグラフィによりシリコンナノワイヤ（SiNW）素子を作製し、夾雑物のフィルタリング、多種類生体物質を各々特異的に結合できる表面修飾法を確立して、体液1滴に含まれる多種類の生体物質を同時検出可能なバイオセンサの創製を目指す。令和3年度は、コロナ禍がある程度収束していた期間に出張が可能となり、当初計画の東京大学の共同利用設備も使用した研究を推進し、以下の成果を得た。 (1) 多種生体分子同時検出のためのSiNWバイオセンサチップの作製：令和2年度に設計したフォトマスクの原画ファイル（20 mm角のSOI基板上に9個のセンサチップが搭載され、各センサチップ上には4つのSiNWセンサを配置）を用いて、東京大学の電子線描画装置でフォトマスクを作製した。それを用いてSOI基板上へTi電極をフォトリソグラフィで形成し、設計通りの電極パターンの形成を確認した。その後、電子線描画で電極間に架橋するHSQレジストNWを形成し、それをマスクとして高密度プラズマエッチングでSiNWを作製した。SOI基板上には合計36個のSiNWセンサが搭載されているため、電子線描画における露光位置、焦点、露光量等の調整が非常に困難で、露光時間も長く苦労したが、4センサが配置されたセンサチップが作製できた。各SiNWの幅は20～50 nmであり、従来の1センサ型と同等のSiNWの形成を確認した。 (2) 夾雑物フィルタリング機能を有するSiNWセンサへの体液輸送マイクロ流路の作製：(1)のセンサチップ上に形成された４つのSiNWへ体液を輸送できるマイクロ流路を作製するため、光造形式の3Dプリンターを導入した。この装置で樹脂の型を作製して、それにPDMSを流し込んでマイクロ流路を試作したところ、流路断面の幅および高さが200 μmの流路が形成でき、漏洩なく通水できることを確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 研究が遅れている最大の理由は、コロナ禍の影響で一昨年度～6月と8月～10月の期間は出張が制限されていたため、東京大学の共同利用設備が使用できなかったことである。そのような状況でも出張可能な期間に東京大学へ行き、前述の(1)では電子線描画装置を用いてフォトマスクの作製、高密度プラズマエッチング装置を用いてSiNWおよび絶縁膜を形成後にステルスダイシング装置を用いて9つのセンサチップに切断する作業を実施してセンサを完成させた。しかし、この作業の前にはSOI基板のSiデバイス層を高密度プラズマエッチングにより薄膜化する工程、その後Siデバイス層にPドーピングしてn型にする工程、SiNW形成時のエッチング条件の調整が必要であり、複数回の試作が必要であった。何とか1センサ型と同等の4センサチップが作製できたが、センサの表面修飾、ウイルス等を用いた測定までは実施できなかった点で、遅れていると考えている。 (2)では、漏洩無く通水できるマイクロ流路の試作はできたが、センサチップは外部電極基板上に搭載され配線されていることから、それらをマイクロ流路内に埋設した状態で漏洩無く4センサへ溶液を輸送できるまでには至っていない。また、センサチップとマイクロ流路の作製に時間がかかったため、マルチバイオセンサシステムの構築まで至らなかった。以上の理由より、研究が遅れている部分は多いが、進捗した部分があるので、総合的にはやや遅れていると考えている。
Strategy for Future Research Activity	令和3年度は、以下の3項目について研究を進める。 1) 多種生体分子同時検出のためのマルチSiNWバイオセンサの作製と測定システムの構築：令和3年度に作製した4センサチップに配線してマイクロ流路内に埋設させてマルチSiNWバイオセンサを作製する。マイクロ流路への溶液導入口は1か所で、内部で4方向に分岐させて4センサへ送液した後、各センサの排出口から溶液を回収する構造とする。各センサは異なる生体分子に反応する必要があるため、排出口からセンサ毎に異なる溶液を導入して異種の表面修飾を施す予定である。また、測定システムはデータ集録ソフトウェアのLabVIEW（R4購入予定）を用いてSiNWの電流電圧特性の4センサ同時測定を実現する。 2) ウイルス等の検出対象物質の分解（エピトープ抽出）法の研究：検体中に含まれる極微量のウイルスをSiNWで検出するためには、ウイルスを分解してウイルス内部の抗原性を持つ核タンパクをエピトープ（抗体認識部位）として取り出す必要がある。ウイルスに対して酸、界面活性剤、プロテアーゼ等を供給して、分解の効果を調査する予定である。 3) マルチSiNWバイオセンサシステムを用いた多種生体分子同時検出：1)で作製したセンサと測定システムに2)で調製した試料を導入して、4センサ同時測定を行い多種生体分子検出について評価する。評価に用いる試料は、まずは市販の不活化された異なる型のインフルエンザの抗原と抗体を用意して、センサ表面には異なる抗体を修飾しておき、混合した抗原を導入して測定する。良好な応答が得られた場合には、異なる型や亜種の試料を入手して再現性を確認した上で、患者から提供を受けた試料を用いた測定を行う予定である。
Causes of Carryover	令和2年度にコロナ禍のため東京への出張ができず、東京大学の共同利用設備が使用できなかったため、多額の予算を繰り越した。昨年度は出張可能となり、前述の研究を推進して令和2年度の繰り越し分を含めて予算執行した。しかし、前年度の繰り越し予算が多かったこと、研究がやや遅れていることから、予算を繰り越すこととなった。また、マイクロ流路の作製を優先させたため測定システムの構築に至らなかったことから、予算を繰り越して令和3年度にデータ集録システム（LabVIEW）を購入してシステム構築することとした。次年度の使用計画は、遅れている研究を進めて、成果が得られれば学会発表や論文投稿を行うので、そのための旅費、学会参加費、投稿料を支出する予定である。