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Active formation of picocavities in water and its application to molecular-resolution dynamic spectroscopy

Research Project

Project/Area Number 22K18988
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

Saiki Toshiharu  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70261196)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
KeywordsDNA / アミノ酸 / 表面増強ラマン散乱 / ナノポア / 相変化材料 / 金ナノ粒子 / タンパク分子
Outline of Research at the Start

塩基・アミノ酸識別を可能とする光学的一分子シークエンサーや生体分子に対する力学的摂動による機能変調への応用を目指す研究である。水中にて金ナノ粒子二量体空隙に、DNAを捕捉したピコキャビティを形成し、一塩基分解能ラマン計測の再現性とラマン増強度の最大化を図る。さらに、相変化材料を成膜したナノポアに二量体をトラップし、相変化にともなう体積変化によって捕捉DNAへ力学的摂動を与え、理想的なピコキャビティ形成をアシストする。本手法の応用としてタンパク分子のコンフォメーション変化の分光的検出と力学的刺激による機能誘発を試みる。

Outline of Final Research Achievements

Adsorption of base molecules on the surface of gold nanoparticles and protonation of the base at low pH enhanced the dimer formation. Furthermore, single-base resolution using dimer hot spots (picocavities) was demonstrated by single-particle Raman measurements in water using single-base-substituted oligonucleotides. Subsequently, phase-change nanopores were fabricated to mechanistically control the picocavities, and the attraction and trapping of gold nanoparticles in the nanopores was attempted. High efficiency of induction was achieved by electrothermal and electroosmotic flow under an AC electric field.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体一分子の捕捉、マニピュレーション、サブナノ分光分析を精密なチューニング機構のもとで実現するためのツール開発を目指した研究である。アダトムがDNA塩基と相互作用しながら相対位置を一方向にシフトする機構を考案できれば、光学的DNAシークエンサーとして完成し、プロテインシークエンサーも現実的となる。細胞内の混雑環境下にてタンパク分子の構造変化の分光的可視化や構造力学的作用と機能発現との相関の解明などに寄与する新たなツールとしての可能性も秘めている。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2024 2023

All Journal Article (1 results) (of which Open Access: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] 光学的手法を用いたナノポア計測技術2023

    • Author(s)
      山崎洋人、斎木敏治
    • Journal Title

      Seibutsu-kogaku Kaishi

      Volume: 101 Issue: 8 Pages: 422-425

    • DOI

      10.34565/seibutsukogaku.101.8_422

    • ISSN
      0919-3758, 2435-8630
    • Year and Date
      2023-08-25
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Presentation] 相変化浮遊電極を用いた誘導電荷電気浸透流による液中マイクロ粒子の収束および分離2024

    • Author(s)
      江藤翔太, 佐藤守, 大久保寧雄, 中山牧水, 畑山祥吾, 牧野孝太郎, 齊藤雄太, 斎木敏治
    • Organizer
      第23回レーザー学会東京支部研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 相変化基板上の交流電界誘起流によるサイズ選択的微粒子収集2024

    • Author(s)
      安谷錦之介, 長瀬暉, 畑山祥吾, 牧野孝太郎, 斎木敏治
    • Organizer
      第23回レーザー学会東京支部研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Collection and detection of gold nanoparticles towards Raman indentification of nanoplastics in solution using self-propelled microrobots2023

    • Author(s)
      H. Takahashi, K. Esashika, and T. Saiki
    • Organizer
      The 31st International Conference on Photochemistry
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pheromone communication in active colloidal particles on a phase-change material platform2023

    • Author(s)
      T. Saiki
    • Organizer
      2023 Information Photonics Conference
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 液中ナノプラスチックのラマン識別に向けた自走粒子による金ナノ粒子の収集と検出2023

    • Author(s)
      高橋廣守, 江刺家恵子, 高野広太郎, 斎木敏治
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 相変化基板を用いた液中マイクロ粒子の電気的運動制御2023

    • Author(s)
      江藤翔太, 斎木敏治
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] オングストローム粒子間制御金ナノ粒子二量体の作製プロセス最適化2023

    • Author(s)
      江刺家恵子, 斎木敏治
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Focusing of microparticles in fluid by induced-charge electroosmosis flow using a phase-change material2023

    • Author(s)
      S. Eto, K. Makino, S. Hatayama, Y. Saito, and T. Saiki
    • Organizer
      35th Symposium on Phase Change Oriented Science
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Phase-change-assisted Stigmergy in an Active Colloidal System2023

    • Author(s)
      B. Nakayama, H. Nagase, H. Takahashi, Y. Saito, S. Hatayama, K. Makino, E. Yamamoto, M. Ichikawa, A. Kakugo, and T. Saiki
    • Organizer
      35th Symposium on Phase Change Oriented Science
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] SERS-based detection and interaction of DNA bases with gold nanoparticles2023

    • Author(s)
      Martin Kasavetov, Keiko Esashika, Paul Fons, Toshiharu Saiki
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-07-05   Modified: 2025-01-30  

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