2022 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
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20K21879
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
曾根 逸人 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (80344927)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| 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 |
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| 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4年度は、コロナ禍がある程度収束したため、東京大学の共同利用設備も使用した研究を推進して、以下の成果を得た。
(1) SiNWバイオセンサ高感度化に向けたNW細線化の研究：SiNWバイオセンサの高感度化にはNWの細線化が有効だが、従来作製したSiNWの最小線幅は約20 nmであった。そこで、電子線描画条件や高密度プラズマエッチングの条件を最適化して、NWの細線化を試みた。その結果、幅約11 nmのSiNWが形成でき、卵白アルブミンと抗卵白アルブミングロブリンG（IgG）の特異的結合の測定から、濃度6 aM（10^-18 mol/L）の超低濃度IgGの検出に成功した。さらに、幅が異なるSiNWを用いた同様の測定から、IgG付着によるSiNW内部に形成された空乏領域の厚さを求めることができた。
(2) 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3年度に引き続き、1チップ上に4つのSiNWセンサが配置されたセンサチップの作製を進めた。SOI基板上にTi電極をフォトリソグラフィで形成後、電子線描画で電極間に架橋するHSQレジストNWを形成した。その際、SOI基板上の離れた位置に複数のSiNWセンサを形成するには、電子線描画における露光位置、焦点、露光量等の調整が困難で、長時間を要する。そこで、重ね露光機能を用いた自動アライメント露光を試したが、NW幅のバラつきや電極に対する位置ずれが生じた。この改善を試みていたところ、HSQレジストの生産終了、電子線描画装置の電源故障が生じたため、その解決に時間を要してしまった。
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| 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、前述(2)のHSQレジストNW形成方法の改善を試みようとしていたところ、HSQレジストの生産終了、電子線描画装置の電源故障が生じたことである。HSQレジストについては、入手困難になったことから同等の特性を持つ代替試薬を探して、調整方法、コーティング、ベーキング、電子線描画等の各工程の条件出しを全てやり直した。電子線描画装置の電源については、装置メーカーに相談したところ、装置が古いため交換部品がないとのことで、同等性能の電源を探して入手して、自分達で復旧させた。これらの対応に時間を要したため、当初計画のマルチSiNWバイオセンサの作製から多種生体分子同時検出までの実施には至らなかったので、1年間の研究期間延長を申請した。
なお、前述の(1)については、これらのトラブルが生じる前に実験していた成果である。幅約11 nmのSiNWの形成および濃度6 aMのIgG検出は、これまでに報告されているSiNWバイオセンサの中で最も低濃度の測定結果である。さらに、IgG検出のNW幅依存性からNW内部の空乏領域の厚さまで求めたことも、従来の研究では得られていない新しい知見である。
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5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4年度に条件を出した代替レジストを用いて電子線描画を行い、1チップに4センサを配置したマルチSiNWセンサチップを作製する。そして、各センサに配線してマイクロ流路内に埋設させたマルチ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（R5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する予定である。
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| Causes of Carryover |
前述のように昨年度は装置故障等の影響で予定していた研究項目が実施できなかったため、物品の購入も進まなかった。論文1件、複数の国際・国内会議で発表したが、論文が無料で掲載されたため、論文掲載料などの予算を繰り越すこととなった。また、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。
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