Single molecule sensing using nano-heater embedded nanopores

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K18947
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 筒井 真楠 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (50546596)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: ナノポア / 局所加熱 / DNA / イオン電流

Outline of Annual Research Achievements

ナノヒータ組込みナノポアを用いた1生体粒子破砕と粒子内分子検出を実施した。まず、ナノヒータの温度制御能を定量評価するために、隣接した二つの白金ナノコイルを作製した。一方を通電加熱し、もう一方を抵抗温度計として用いた測定を実施したところ、有限要素法によるシミュレーション結果と良く一致する昇温効果が確認できた。さらにどこまでナノポアを昇温してもナノポア計測による1分子検出に支障がでないかを調べたところ、その局所温度を水の沸点以上にまで加熱してもおおむね安定したイオン電流が観測され、気泡の発生等が生じないことが確認できた。その一方で、過度に昇温させるとイオン電流が急激に上昇する傾向が観測された。これは、ナノポア内の局所空間で蒸気が発生し、イオンが高移動度にナノポアを通過するようになったためと考えられる。ただしこの特殊な状態は極めて不安定であり、その後僅かな時間でナノポア内で気泡が成長し、イオン電流がゼロ付近にまで低下する結果となった。この校正したナノヒータを用いてナノポア付近を昇温させた状態でバクテリオファージを測定した。一定以上の温度にまで加熱すると、バクテリオファージがナノポアを通過しない向きの電圧下でパルス状のイオン電流信号が観測された。これは、ファージのカプシドが局所熱によって分解され、漏れ出したカプシド内部のDNAがナノポアを電気泳動力により通過したことを示唆する結果である。これらの結果により、ナノヒータナノポアによる1生体粒子破砕・内部分子検出を実証することに成功した。