2015 Fiscal Year Annual Research Report
体外受精卵のクオリティーを選別するマルチ卵重計の創製
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26282143
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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) |
保坂 純男 群馬大学, 大学院理工学府, 特任教授 (10334129)
坂田 利弥 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70399400)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | カンチレバ－半導体複合型バイオセンサ / 検査・診断システム / 医用システム / 電子デバイス・機器 / モニタリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、体外受精卵の非侵襲な精密診断法の開発を目指して、受精卵の重量と呼吸活性の同時連続測定が可能な、ピエゾ抵抗カンチレバに半導体センサを搭載したマルチ卵重計を創製する。平成27年度は、(1)磁性薄膜コートカンチレバを用いた磁気駆動方式の検討、(2)変位検出型カンチレバセンサの改良、(3)沈降測定法による卵子質量測定、(4)集束イオンビーム（FIB）加工による受精卵保持型カンチレバの改良、(5)電子線リソグラフィを用いたSiナノワイヤ（NW）バイオセンサの試作について研究した。
(1)では、ピエゾ抵抗カンチレバにNi薄膜を成膜して、ネオジウム磁石を距離1 mmまで接近させたところ、0.95 μmの変位が得られた。しかし、前年度に試作した小型電磁石を用いて同様の測定を行った結果、変位は得られなかった。
(2)では、交流ブリッジ回路を用いたカンチレバ変位検出システムを試作し、ピエゾ抵抗カンチレバを取付けて海水中に設置し、ウニ卵子を搭載した結果、質量約508 ngが得られた。
(3)では、垂直に立てたガラス管に海水を満たし、上部から投入したウニ卵子の沈降速度を測定した結果、ウニ卵子の密度約1132 kg/m3、質量約450 ngが得られた。
(4)では、受精卵保持のためFIBで穴加工およびカーボンピラー形成したホルダ型カンチレバを試作した。マウス受精卵を搭載し、圧電素子加振で共振周波数変化を測定した結果、質量約2.7 ngが得られた。
(5)では、電子線リソグラフィを用いてSOI基板を加工して、長さ5 μm、幅500～100 nmのSiNWを試作した。ソースメータ（本研究費で購入）を用いた電流電圧測定でオーミック特性を確認した。また、表面をアミノシラン処理後、生理食塩水で希釈したIgG抗体と反応させたところ、濃度563 fMのIgGで約16%の電流減少が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前記(1)の磁気駆動方式への改良については、溶液中でカンチレバの変位がより大きくなるようNi薄膜を成膜後に電磁石で高磁束密度を印加したことで、ネオジウム磁石では変位が確認できた。しかし、小型電磁石では駆動が確認できなかったことから、磁性膜および小型電磁石の改良が必要であることがわかった。
(2)のカンチレバ変位検出では、前年度はポリスチレンビーズの測定に留まっていたが、交流ブリッジに改造することでノイズが低減されて、海水中でウニ卵子の質量を測定できた点で進捗があったと考える。さらに、新しく試みた(3)の沈降測定による値とほぼ一致したことから、世界で初めてウニ卵子の質量を測定できたと考えている。
(4)のFIB加工ピエゾ抵抗カンチレバを用いたマウス受精卵質量測定では、カンチレバの共振周波数変化から質量を求めることができたが、(2)と(3)の結果および見積値と比べて100分の1の値であったことから、あまり進捗が得られなかった。これは、カンチレバへの受精卵の固定が不十分であることが原因と考えている。
(5)のSiNWバイオセンサの試作では、電子線描画によるNWレジストパターンの形成条件および反応性イオンエッチングによるSiデバイス層のエッチング条件など各種加工条件を求めることができた。その結果、幅100 nmのSiNWセンサまで試作でき、NW表面処理により低濃度のIgG抗体を検出できた点で大きく進捗したと考えている。ただし、SiNWセンサを用いた受精卵から放出されるイオン測定ができていない点では、研究が遅れていると考えている。
以上の理由より、研究が遅れている部分はあるが、多くの進捗した部分があるので、総合的にはおおむね順調に進んでいると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は、磁気駆動カンチレバ振動型センサの改良と変位測定型カンチレバセンサの高感度化を並行して進めた上で、SiNWセンサを複合したマルチ卵重計の試作について研究開発する。
磁気駆動システムの改良では、磁性材料、小型電磁石について再検討する。また、磁性カンチレバの作製では、受精卵が保持できる形状を再設計して、カンチレバにFIB加工する。さらに、加工したカンチレバに磁性膜を成膜する。
変位測定型カンチレバセンサは、交流ブリッジからの出力をロックインアンプでフィルタリングして、ノイズ成分の除去を試みる。
そして、カンチレバ型センサとSiNWセンサを取付けたマルチ卵重計を用いて、マウス受精卵の質量と呼吸活性の同時測定（曾根、保坂、坂田）について研究する。最初は、インキュベータ内で顕微観察しながら、受精卵をホルダ型カンチレバ上に載せ、大気中、生理食塩水中、培養液中での周波数特性を測定して質量を求める。この時、溶液の物性（粘性、イオン濃度など）によるカンチレバの周波数特性およびSiNWセンサの電気特性に変化が生じる可能性があるので、事前に環境変化による評価を行った上で、受精卵搭載を行う予定である。
次に培養液中でマウス等の受精卵の重量変化および呼吸活性変化を同時に連続測定する。測定時間はマウス胚培養期間の4日間に設定し、LabVIEWを用いて各種データを自動収録する。この時、カンチレバの磁気駆動による培養環境および受精卵への影響が懸念されることから、振動振幅、周波数特性測定間隔などの設定を変えて実験する予定である。その後、開発したシステムで連続測定したマウス胚をマウスに移植し、出産されたマウスの形態、生態、発育の異常の有無を調査して、開発したシステムの受精卵への侵襲性を評価する。
なお、本研究で得られた成果は、学会、論文、ウェブなどのメディアを通じて広く社会に発表する予定である。
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| Causes of Carryover |
直接経費に未使用額が生じた理由は、購入を予定していたFIB原料が今年度も枯渇しなかったことからFIB装置原料とそれを交換するためのメンテナンス費用が不要であったこと、機械・電子部品、生化学実験器具・試薬の一部の購入を見送ったことが原因である。FIB装置原料については、原料が枯渇してビームが出なくなった時に交換するが、平成27年度は正常に動作していたことから交換しなかった。部品や器具については、平成28年度にカンチレバ型センサの改良およびマルチ卵重計の試作において予算不足が予想されることから、学術研究助成基金助成金の一部を繰り越しした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は、磁気駆動システムの改良、磁性カンチレバの作製、変位測定型カンチレバセンサシステム、マルチ卵重計の試作を行う。磁気駆動システムの改良では小型電磁石の作製に電気部品や機械部品が必要となる。磁性カンチレバの作製では、FIB装置を使用することから、原料が枯渇した時にその購入および交換メンテナンスを行う予定である。変位測定型カンチレバシステムでは回路変更に使う電子部品を購入する。また、マルチ卵重計の試作では、東京大学の微細加工施設を利用することから、それに必要な材料、施設利用料、出張費を予定している。
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Research Products
(5 results)
