2015 Fiscal Year Annual Research Report
光誘起力による分子認識制御と超高速-高感度バイオセンサの開発
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26286029
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
飯田 琢也 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10405350)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
床波 志保 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60535491)
伊都 将司 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (10372632)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノバイオ / 分析科学 / 分子認識 / 光ピンセット / 計測工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2年目は初年度に得られた成果・知見を活用して目標達成に向けて大きく前進した。まず、基礎原理解明においては、高濃度条件でレーザー照射無しの場合のプローブ粒子とターゲットDNA集合体の成長過程を顕微鏡観察下で調べたところ、レーザー照射下での集合体形成や光学スペクトルの変化と良い相関を確認した。また、ランダムな塩基配列を用いた実験も行い、相補的な場合には微量DNAを添加した場合でも光誘起集合化が顕著に見られることを確認し、塩基配列の差異に関する高感度検出に向けて一歩前進した。さらに、初年度に開発したMRMMによる理論解析でも塩基配列依存性を扱えるようになり実験との整合性を示す結果も得られ始めている。
次に、マイクロ流路を用いた光検出の高感度化にも着手した。初歩段階の取組として取扱い易い100μmオーダーの幅の広いマイクロ流路中でレーザー照射位置に工夫をすることで相補的なターゲットDNAとプローブ粒子の混合液中で集合体形成が顕著に起こることを確認した。また、高光発熱性のプローブ粒子を導入し、流路中でのレーザー照射による集合化の原理解明も検討した。さらに、最終目標の１つでもある微量タンパク質検出に向け、卵白由来のアルブミンを添加した予備実験において、集合挙動に明瞭な差が見られることも示した。
一方で、自作マイクロウェル中にプローブDNAとターゲットDNAの混合液を導入した実験も行い、液中上方で光誘起集合化を確認した。さらに、初年度に導入した空間位相変調器を用いて発生した多点のレーザー照射により、ウェル中で複数の集合体を同時に形成することにも成功した。さらに、集合体形成に用いたレーザー光よりもプローブ粒子中の局在表面プラズモン共鳴に近い波長のレーザーを照射することで、マクロな集合体を解離できることも明らかにした。
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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
今年度は、目標達成に向けて飛躍の年であったと言える。「研究実績の概要」に記載したように、DNAの光検出に関して、マイクロ流路を用いた光検出の高感度化、マルチ光トラップによる検出法の基礎構築など、全研究項目について当初予定以上の成果が得られており、3年目に準備を行う予定であったタンパク質検出に関しても前倒しで進める形となった。また、昨年度出願したターゲットDNAとプローブDNAの光誘起集合化に関する国際特許も各国移行の運びとなり、企業の注目も集めている。字数の兼ね合いで概要に記載できなかったが、理論面においても著しい成果があり、強集光したドーナツビームが有する光軸方向の電場により捕捉されたプローブ粒子集団と、それらの間に挟まれた単一分子の光学応答が劇的に変化する可能性を示した。この成果の一部はナノフォトニクスの国際会議で受賞を通じて評価され[1]、米国物理学協会のApplied Physics Lettersに掲載された。また、マイクロ粒子をプローブとして微小な光吸収性のナノ物質を光誘起集合化を通じて検出するための原理に関する成果も国内学会で受賞した[2]。これらの例が示すように、当初計画以上に各段に進展していると高い評価を与えることができる。
[1] IAC Presentation Award (APNFO10)（Hakodate, Japan）、受賞論文："Three-dimensional Nano Optical-assembly for the Control of Collective Near-field Coupling"著者：Mamoru Tamura, Takuya Iida [受賞者：Mamoru Tamura]、受賞日：2015/7/10
[2] 若手講演ポスター賞、第75回分析化学討論会（山梨大学甲府キャンパス）、受賞論文：「金属ナノ粒子-マイクロ粒子混合系における高速光集積現象と分析応用」著者：宮井萌、山本靖之、西村勇姿、床波志保、飯田琢也 [受賞者：宮井萌]、受賞日：2015/5/24
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| Strategy for Future Research Activity |
3年目はこれまで取組んできた項目の発展研究を行いながら、新たに高感度光駆動バイオセンサ・システムへの展開や、タンパク質の特異検出などへの応用も検討する。光照射下で形成したミスマッチ数の異なるDNAとプローブ粒子の集合体の形成過程を明らかにするため、銀ナノロッドの選択抽出の予備実験で用いた軸対称偏光のドーナツビームで特性を調べる。これまで、ガウスビームによって相補鎖DNAを介して結合したプローブナノ粒子がネットワーク状の空間パターンを形成することを確認しており、スポット中心において強度がほぼゼロのドーナツビーム照射下で形成される集合体特性を解明して光誘起力や光発熱効果の影響についても調べ、ミスマッチ検出のための条件探索を行う。また、形成された集合体の光学特性もファーフィールド、ニアフィールドの両アプローチにより評価する。
さらに、準備を進めて来たマイクロ流体チップにより検体の存在領域を制限してレーザー光を照射するシステムを発展させ、光駆動バイオセンサの高感度化を目指す。特に、ターゲットとプローブナノ粒子に「流れがある場」でレーザー照射した場合に集合体形成をするための条件探索を行う。また、マイクロウェルを用いた構成でのミスマッチ検出や、実サンプルへの適用可能性も探るため侠雑物が存在する場合の分子認識の光加速の可能性も探索する。
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| Causes of Carryover |
前年度末に別のテストサンプルを用いたマイクロ流体チップ中での予備実験によりレーザー照射による微小物体の集積条件が明らかになった。このため、平成28年度にDNAとプローブ粒子を用いたメインの実験を加速する必要があり、繰越を行ったため次年度使用額が生じることとなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上記のようにプローブ粒子作製に必要な試薬等の消耗品や、フロー系での光加速を含む各種の実験で必要な消耗品購入のために物品費：400,000円が必要であるため、次年度への繰越を行った。
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| Remarks |
【メディア発表】月刊「コンバーテック」2016年2月号.月刊「Solvisto」, 2015年5月号, p.30-31.日経産業新聞(８面)、他5件
【受賞】[1]IAC Presentation Award (APNFO10), [2]若手講演ポスター賞、第75回分析化学討論会
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[Journal Article] A high performance photothermal film with spherical shell-type metallic nanocomposites for solar thermoelectric conversion2015
Author(s)
Atsuko Kosuga*, Yasuyuki Yamamoto, Moe Miyai, Mie Matsuzawa, Yushi Nishimura, Shimpei Hidaka, Kohei Yamamoto, Shin Tanaka, Yojiro Yamamoto, Shiho Tokonami, and Takuya Iida*
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Journal Title
Nanoscale
Volume: 7
Pages: 7580-7584
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Photothermal assembling of porphyrin dimers”2015
Author(s)
Y. Yamamoto, Y. Nishimura, T. Tanaka, H. Yorimitsu, A. Osuka, S. Tokonami, T. Iida
Organizer
The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015（Pacifichem2015)
Place of Presentation
Hawaii Convention Center, Honolulu, Hawaii, USA
Year and Date
2015-12-15 – 2015-12-20
Int'l Joint Research
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