2015 Fiscal Year Annual Research Report
ナノスロットレーザの極限的な光局在を利用する超高感度バイオマーカーセンサ
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24226003
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
馬場 俊彦 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50202271)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西島 喜明 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60581452)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | フォトニック結晶 / ナノレーザ / ナノスロット / バイオマーカー / バイオセンシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度までの研究で医療応用可能なバイオマーカーセンシングに成功した．今年度はその代表例である前立腺がんマーカーPSAについて，統計的なデータを採取し，高確度なセンシングが不純物試料においても行えることを改めて実証した．さらに実際の患者のサンプルが豊富な統合失調症のバイオマーカーであるCRMP1たんぱく質の検出を試み，これもpMオーダーの検出に成功した．これはELISAの検出限界より2桁程度低い．またバイオマーカーセンシングから応用の幅を広げるため，環境バイオ毒素であるエンドトキシンの検出，ナノレーザアレイ上に直接培養したがん細胞HeLaのイメージングなどにも成功した．一方，最大の課題であった高感度の原理解明を進めた．特に昨年度までに確認した発振強度に対する表面電荷応答が，微量タンパク質おいての波長応答にどう反映するかを徹底的に調べたところ，表面を親水性から疎水性に変える，微量の塩を試料に導入するなど，屈折率の効果では到底説明できない現象が明らかになり，改めて表面電荷が関与していることが示された．これを説明できる物理現象として，表面電荷による半導体中のショットキー障壁の形成，これによるフランツケルディッシュ効果の発現，これによる半導体屈折率の変化が液中の試料の変化よりも大きな波長シフトを生むことなどを明らかにし，やはり表面電荷の効果が原理となっていることを示した．これはフォトニックセンサで初めて明らかにされた電荷応答性，もしくはイオン可能性であり，本センサがイオントロにクスの分野に属することがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究はナノスロットナノレーザバイオセンサについて，（１）原理解明，（２）システム開発，（３）医療バイオ応用を目的としてきた．（２），（３）については昨年度（３年目）までに十分な成果が上がった．具体的には（２）においてナノレーザの大規模集積，マイクロ流路との融合，可搬型システムの構築などに成功した．（３）についてはモデルタンパク質（ストレプトアビジン）や典型的な医療用バイオマーカー（前立腺がんマーカーPSA）について超高感度と大量の不純物を含む試料での選択性を実現し，現行のセンシング技術であるELISAを桁違いで凌駕する性能を得た．さらにヒト由来の血中試料からアルツハイマー病のバイオマーカーとして期待されるCRMP2の低濃度検出にも成功した．４年目の最大の課題は（１）であったが，これについては３年目に，本ナノレーザのイオン感応性を発見することで大きく進展した．４年目にこのイオン感応性とシグナルであるナノレーザの波長シフトの関係を集中的に調査し，これが表面電荷によって形成されるショットキー障壁によるフランツケルディッシュ効果である可能性が高まり，様々な実験結果がこれを裏付けた．さらにナノスロット中では表面の電荷による電気二重層が消失するナノフルイディクス効果があり，これが感度をいっそう高めることを確認した．つまり当初計画をおおむね１年前倒しで達成したと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は各成果の完成度を高めると共に，次の飛躍に向けて，検討を重ねる．具体的には，４年目に明らかにしたイオン感応性を制御可能なものにする．具体的には非平衡分子動力学計算などの活用を検討し，ナノレーザやバイオ分子の電荷のふるまい，抗原抗体反応による分極の形成や表面電荷の変化，それによるフランツケルディッシュ効果の変化などを計算し，それを最大化，安定化，物理パラメータによる制御などができるか検討する．また共同研究者を得て，表面から溶液側の電位分布（ζ電位），表面から半導体側の電位分布（フラットバンド電位）の両方を計測，それがもたらす効果の理論的予測との対応を調べる．一方，現在，抗体修飾に至る表面状態の形成の一部に原子層堆積法を用いているが，これをすべて原子層堆積法によって行い，表面を完全に安定化させ，理論状態に近づける．加えて，イオン感応性が起こり始めるたんぱく質濃度を系統的に調べる．この現象を安定的に得ることによって，様々な濃度で希釈した試料を用意し，シグナルが現れる希釈率を調べれば，たんぱく質の定量化が行えるので，これを目指したい．また流路と融合し，複数の抗体をスポッティングによって修飾し，複数の抗原たんぱく質を一括で評価できるプロテインチップを構成したい．以上の目的に対しては新たな予算措置が必要と考えられたため，今年度，最終年度前の新たな基盤研究（S)の申請を行っている最中である．
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