Development of microfluidic device/inductively coupled plasma spectrometer for determination of trace elements in selected cells

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26810081
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 重田 香織 (杉山香織) 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 環境管理研究部門, 研究員 (20639744)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 単一細胞分析 / 元素分析 / 質量分析 / 誘導結合プラズマ質量分析計 / ドロップレット試料導入 / インクジェット / マイクロ流体デバイス / メタロミクス

Outline of Annual Research Achievements

ヒ素やカドミウムなどの微量金属元素による細胞の癌化メカニズム，あるいは細胞の発生・分化における必須微量元素の役割など，生体における微量金属元素の役割の解明を目指すメタロミクス研究は，iPS 細胞の開発により，単一細胞レベルでの研究を可能とする新たなステージに入っている。しかし，単一細胞を対象とした有効な微量元素分析法はこれまで開発されていなかった。
これまでの研究において，溶液試料を従来のように噴霧するのではなく，インクジェット技術を応用し，微小液滴を一滴ずつICP 質量分析計のプラズマに導入するドロプレット試料導入法を開発し，この微小液滴に細胞を内包させプラズマ中に噴出することで単一細胞分析を可能とした。しかし，微小液滴に一細胞を内包させるため，試料を希釈することから，細胞を包含しない空のドロプレットが多く，測定効率が良くなかった。また，時間の経過とともに細胞が沈殿，凝集するといった問題が生じた。
本研究では，単一細胞レベルでのハンドリングを可能にするため，マイクロ流体力学に基づき流体デバイスの流路形状の最適化を行った。開発したマイクロ流体デバイスにおいて，実際にHeLa細胞を導入し，顕微観察システムを用いて細胞の挙動の観察を行った。また，細胞から得られる過渡的な信号を検出するため，高時間分解能ICP質量分析装置の開発を行った。開発した装置を用い，銀ナノ粒子懸濁液をプラズマへ導入し，10nmスケールの銀ナノ粒子から得られる過渡的な信号の検出に成功した。さらに，ナノ粒子懸濁液中の粒子サイズ，そのサイズ分布を求めるため，得られた信号強度からヒストグラムを作成する解析するソフトウェアの開発を行った。