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Realization of multi-modal ion image sensor to clarify interaction of neurotransmitters

Research Project

Project/Area Number 18H03778
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research InstitutionToyohashi University of Technology

Principal Investigator

澤田 和明  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40235461)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥44,590,000 (Direct Cost: ¥34,300,000、Indirect Cost: ¥10,290,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Fiscal Year 2019: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2018: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Keywordsマルチモーダルセンサ / バイオイメージセンサ / 半導体センサ / イオンイメージセンサ / マルチモーダル / バイオセンサ / 神経伝達物質 / 溶存酸素 / アレイ / CMOSイメージセンサ / 集積化センサ
Outline of Annual Research Achievements

単一種類のイオン(例えば水素イオン)をイメージングするだけでなく,同一場所のその他の化学量(ガス,神経伝達物質:ATPやLactateなど,他のイオン:Kイオン,Caイオンなど)を同時に可視化できるマルチモーダルイメージセンサを実現し,シナプスや細胞の相互作用解明のために有用なツールであることを検証する.具体的には、マルチモーダルセンサのプラットフォームとなる電位センサアレイを試作し、次にその上に各種検出膜を形成することで、4種類以上の神経伝達物質・イオン,ガスを空間解像度5μm以下,時間分解能2msecで取得できるバイオイメージセンサの開発を行うことを目的としている.

昨年度までに乳酸と水素イオンを同時にイメージングするセンサ開発、および異なる物質の拡散の抑制に成功してきた。今年度は昨年度実現した乳酸と水素イオンを同時可視化できるセンサを活用し海馬からの信号取得し成功した。グルタミン酸刺激により乳酸放出が確認できたが、そのときの水素イオンの放出は同時に確認できなかった。このことから海馬から乳酸放出時には海馬における細胞外のpHは変化しないことが確認できた。またカリウムイオンと水素イオンを同時に可視化するイメージセンサについても取り組んだ。カリウムイオン感応膜を半導体技術で微細加工する技術は未開発のため今年度はレーザにより部分的に感応膜を除去し、水素イオン検出部を露出することで、水素とカリウムを同時に検出するセンサを実現することができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度5ミクロンピッチ、フレームレート500フレーム毎秒で動くセンサプラットフォーム、予定通り、2種類のイオン感応膜を製作し、生物実験に成功し、生物学的に有意な実験結果を得ることができた。来年度は微細加工を技術を駆使して、研究目的である4種類以上のイオンなどを同時に検出するセンサの開発を目指す。

Strategy for Future Research Activity

半導体微細加工技術特にフォトリソグラフィで、イオン感応膜をパターニングするところに時間を費やしている。 直接パターニングすることにこだわらず、最終年度はリフトオフプロセスや他の方法を採用しながら5ミクロンピッチセンサ上でのマルチイオンセンサ開発に取り組みたい。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(62 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 7 results) Presentation (50 results) (of which Int'l Joint Research: 18 results,  Invited: 3 results) Book (2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] CMOS-Based Redox-Type Label-Free ATP Image Sensor for In Vitro Sensitive Imaging of Extracellular ATP2021

    • Author(s)
      Hideo Doi , Tomoko Horio , Yong-Joon Choi , Kazuhiro Takahashi , Toshihiko Noda and Kazuaki Sawada
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: Vol.22, Issue1 Pages: 75-75

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of a label-free ATP image sensor for analyzing spatiotemporal patterns of ATP release from biological tissues2021

    • Author(s)
      Doi H, Parajuli B, Horio T, Shigetomi E, Shinozaki Y, Noda T, Takahashi K, Hattori T, Koizumi S, Sawada K
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B : Chemical

      Volume: 335 Pages: 129686-129686

    • DOI

      10.1016/j.snb.2021.129686

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    • Author(s)
      Horiuchi Hiroshi、Agetsuma Masakazu、Ishida Junko、Nakamura Yusuke、Lawrence Cheung Dennis、Nanasaki Shin、Kimura Yasuyuki、Iwata Tatsuya、Takahashi Kazuhiro、Sawada Kazuaki、Nabekura Junichi
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Pages: 712-712

    • DOI

      10.1038/s41467-020-14571-y

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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    • Author(s)
      You-Na Lee, Takeshi Araki, Yasuyuki Kimura, Fumihiro Dasai, Tatsuya Iwata, Kazuhiro Takahashi and Kazuaki Sawada
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems

      Volume: 13, Issue2 Pages: 352-363

    • DOI

      10.1109/tbcas.2019.2895069

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    • Author(s)
      Toshiaki Hattori, Fumihiro Dasai, Hikaru Sato, Ryo Kato and Kazuaki Sawada
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 19, No.7 Pages: 1582-1582

    • DOI

      10.3390/s19071582

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    • Author(s)
      Yoshimi Tatsuya, Okuno Alato, Sato Daisuke, Takikawa Osamu, Hattori Toshiaki, Sawada Kazuaki
    • Journal Title

      BUNSEKI KAGAKU

      Volume: 68,No.10 Issue: 10 Pages: 783-791

    • DOI

      10.2116/bunsekikagaku.68.783

    • NAID

      130007742410

    • ISSN
      0525-1931
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    • Author(s)
      Matsuba.S, Kato.R, Okumura.K, Sawada.K, Hattori.T
    • Journal Title

      Anal. Sci.

      Volume: 34 Issue: 5 Pages: 553-558

    • DOI

      10.2116/analsci.17p552

      10.2116/analsci.17P552

    • NAID

      130006733524

    • ISSN
      0910-6340, 1348-2246
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    • Author(s)
      Kazuaki Sawada and Toshiaki Hattori
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 57, No.10 Issue: 10 Pages: 1002A2-1002A2

    • DOI

      10.7567/jjap.57.1002a2

    • NAID

      210000149679

    • ISSN
      0021-4922, 1347-4065
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  • [Journal Article] H2O2 Detection by Redox-based Potentiometric Sensors under Biological Environments2018

    • Author(s)
      Tatsuya Iwata, Sinya Mizutani, Koichi Okumura, Yuki Okumura, Kazuhiro Takahashi, and Kazuaki Sawada
    • Journal Title

      Sensors and Materials

      Volume: 30, No.10 Issue: 10 Pages: 2359-2367

    • DOI

      10.18494/sam.2018.1947

      10.18494/SAM.2018.1947

    • ISSN
      0914-4935, 2435-0869
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] NEEDLE-TYPE 5-μM PIXEL PITCH Ph-IMAGE SENSOR AND IMAGING OF PROTON EMISSIONS IN THE CEREBRAL CORTEX2021

    • Author(s)
      Kotaro Sakamoto, Mai Madokoro, Hiroshi Horiuchi, Junko Ishida, Tomoko Horio, Yasuyuki Kimura,Takeshi Hizawa, Yong-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda, Junichi
    • Organizer
      The 21st International Conference on SOLID-STATE SENSORS,ACTUATORS and MICROSYSTEMS (TRANSDUCERS 2021)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A MULTI-CHEMICAL IMAGE SENSOR FOR SIMULTANEOUS VISUALIZATION OF LACTATE AND Ph DISTRIBUTION AND ITS APPLICATION FOR EXTRAC ELLULAR2021

    • Author(s)
      Hayato Muraguchi, Hideo Doi, Tomoko Horio, Bijay Parajuli, Eiji Shigetomi, Youichi Shinozaki, Yong-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshiaki Hattori, Toshihiko Noda, Schuichi Koizumi, and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      The 21st International Conference on SOLID-STATE SENSORS,ACTUATORS and MICROSYSTEMS (TRANSDUCERS 2021)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MULTIMODAL NEUROTRANSMITTER IMAGE SENSOR WITH LATERAL ION DIFFUSION SUPPRESSOR2021

    • Author(s)
      Chinatsu Kawakami, Shirlyn Eng Shu Ying, Tomoko Horio, Hideo Doi, Yong-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda, and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      The 21st International Conference on SOLID-STATE SENSORS,ACTUATORS and MICROSYSTEMS (TRANSDUCERS 2021)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] REDOX-TYPE LABEL-FREE ATP IMAGE SENSOR FOR HIGHLY SENSITIVE IN VITRO IMAGING OF EXTRACELLULAR ATP2021

    • Author(s)
      Hideo Doi, Tomoko Horio, Young-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda, and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      The 21st International Conference on SOLID-STATE SENSORS,ACTUATORS and MICROSYSTEMS (TRANSDUCERS 2021)
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      辰巳幸弘,堀尾智子,村上健介,小笠原健,清水 聡,崔 容俊,高橋一浩,野田俊彦,澤田和明
    • Organizer
      令和3年度電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会 バイオマイクロシステム研究会
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      加藤 萌、土井 英生、堀尾 智子、崔 容俊、高橋 一浩、服部 敏明、野田 俊彦、澤田 和明
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      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
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      澤田 和明、崔 容俊、高橋 一浩、野田 俊彦
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      土井英生 , 堀尾 智子 , 崔 容俊 , 高橋 一浩 , 野田 俊彦 , 澤田 和明
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      第38 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
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      第38 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
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      澤田和明
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      村口 迅人、土井 英生、雌熊 宏隆、堀尾智子、高橋 一浩、野田 俊彦、澤田 和明
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      辰巳幸弘,Lee You-Na,堀尾智子,村上健介,小笠原健,清水聡,高橋一浩,野田俊彦,澤田和明
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      The 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS 2019)
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Insertable 256×256 ion image sensor for spatiotemporal pH recording2019

    • Author(s)
      You-Na Lee , Yasuyuki Kimura, Yusuke Nakamura, ToshihikoNoda, Kazuhiro Takahashi and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS2019)
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Label-free real-time imaging of extracellular Ca2+ uptake in the hippocampal slice using Ca-PVC membrane based on charge-transfer-type potentiometric sensor arrays2019

    • Author(s)
      Hideo Doi , Tomoko Horio, Eiji Shigetomi, Bijay Parajuli, Youichi Shinozaki, Toshihiko Noda, Kazuhiro Takahashi, Toshiaki Hattri, Schuichi Koizum, Kazuaki Sawada
    • Organizer
      IEEE SENSORS 2019
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] pHイメージセンサを用いた水素イオン濃度と溶液電位の同時可視化手法2019

    • Author(s)
      阪本 宏太朗、木村 安行、野田 俊彦、高橋 一浩、澤田 和明
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 溶存酸素とpHを同時に検出可能なFET型センサデバイスの開発2019

    • Author(s)
      ルー シルヴィアメイリン、杉原 勇也、飛沢 健、野田 佳子、神谷 幸子、村上 健介、李 宥奈、高橋 一浩、野田 俊彦、澤田 和明
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高精細イオンイメージングのためのイオン拡散防止MEMS構造体の製作2019

    • Author(s)
      川上 千夏、魚返 勇太、飛沢 健、繁富 英治、篠崎 陽一、岩田 達也、野田 俊彦、高橋 一浩、小泉 修一、澤田 和明
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 可塑化PVCを応用したCa2+イメージセンサによる海馬スライスの細胞外イメージング2019

    • Author(s)
      土井 英生、堀尾 智子、繁冨 英治、Bijay Parajuli、篠崎 陽一、野田 俊彦、高橋 一浩、服部 敏明、小泉 修一
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] レドックス型非標識乳酸イメージセンサの製作と薬剤刺激による海馬からの乳酸放出のイメージング2019

    • Author(s)
      土井 英生, 堀尾 智子, 繁富 英治, 篠崎 陽一, Lee You-Na, 吉見 立也, 岩田 達哉, 野田 俊彦, 高橋 一浩, 服部 敏明, 小泉 修一, 澤田 和明
    • Organizer
      第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] シナプスレベルの活動観察に向けた2μmピッチイオンイメージセンサの開発と 海馬スライス微小領域への応用2019

    • Author(s)
      川上 千夏, 李 宥奈, 土井 英生, 堀尾 智子, 木村 安行, 繁冨 英治, 篠崎 陽一, 野田 俊彦, 岩田 達哉, 高橋 一浩, 小泉 修一, 澤田 和明
    • Organizer
      第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Smart Bio Image Sensor Devices and its applications2018

    • Author(s)
      Kazuaki Sawada
    • Organizer
      The 13th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems(NEMS2018)
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Two-micrometer-pitch pH image sensor for High-density and High-Frame-Rate mapping2018

    • Author(s)
      You-Na Lee, Takeshi Araki, Yasuyuki Kimura, Tatsuya Iwata, Kazuhiro Takahashi and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      The 13th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems(NEMS2018)
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An Evaluation Method for Electrochemical Imaging of High-density Ion-image Sensor2018

    • Author(s)
      You-Na Lee, Takeshi Araki, Yasuyuki Kimura, Tatsuya Iwata, Kazuhiro Takahashi and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology (APCOT 2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] H2O2 and Glutamate Imaging with Improved Sensitivity Based on Charge-Transfer-Type Potentiometric Redox Sensor Arrays2018

    • Author(s)
      Y.Okumura, T.Iwata, K.Okumura, H.Shiguma, T.Horio, H.Doi, K.Takahashi, K.Sawada
    • Organizer
      17th International Meeting on Chemical Sensors(IMCS2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on Deposition Condition of PIC Membrane for Enzyme-Type Label-Free ATP Image Sensors and Extracellular Imaging of Hippocampal Slice2018

    • Author(s)
      Hideo Doi, Tomoko Horio, Tatsuya Iwata, Koichi Okumura, Kazuhiro Takahashi, Toshiaki Hattori and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology (APCOT 2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電位検出型H2O2イメージセンサを用いた海馬の細胞外イメージング2018

    • Author(s)
      土井英生、奥村悠基、堀尾智子、岩田達哉、奥村弘一、高橋一浩、服部敏明、澤田和明
    • Organizer
      平成30年度電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] マルチ神経伝達物質イメージセンサのクロストークを抑制するMEMS構造体の作製2018

    • Author(s)
      魚返勇太、李 宥奈、岩田達哉、高橋 一浩、澤田 和明
    • Organizer
      第35回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] H2O2検出系によるアセチルコリンイメージングの高精細化に向けたイオンイメージセンサの開発2018

    • Author(s)
      雌熊 宏隆, 土井 英生, 堀尾 智子, 岩田 達哉,野田 俊彦, 高橋 一浩, 服部 敏明, 澤田 和明
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 拡散防止構造を一体化した水素イオンイメージセンサによる海馬スライスのイメージング2018

    • Author(s)
      魚返 勇太, 川上 千夏, 飛沢 健, 繁富 英治, 篠崎陽一, 岩田 達哉, 野田 俊彦, 高橋 一浩, 小泉修一, 澤田 和明
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Ion Sensor Array For Electronic-Biological Matter Interface2018

    • Author(s)
      Kazuaki Sawada
    • Organizer
      2018 Internatinal Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2018)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] 電子情報通信学会誌2022

    • Author(s)
      澤田和明、髙橋一浩、崔 容俊、野田俊彦
    • Total Pages
      6
    • Publisher
      一般社団法人電子情報通信学会
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  • [Book] 新東技報2022

    • Author(s)
      澤田和明
    • Total Pages
      2
    • Publisher
      新東工業株式会社
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  • [Remarks] 集積化バイオセンサ・MEMSグループ

    • URL

      http://int.ee.tut.ac.jp/bio/

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Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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