細胞内部探索用カーボンナノチューブAFM技術の研究

• 研究課題/領域番号: 16310078
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: ナノ材料・ナノバイオサイエンス
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 徳本 洋志 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (40357562)
• 研究分担者: 岡嶋 孝治 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (70280998) ; 畔原 宏明 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (00374653)
• 研究期間 (年度): 2004 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 13,100千円 (直接経費: 13,100千円); 2006年度: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2005年度: 4,000千円 (直接経費: 4,000千円); 2004年度: 6,300千円 (直接経費: 6,300千円)
• キーワード: カーボンナノチューブ / CNT-AFM技術 / CNTの化学修飾 / 低侵襲AFM画像技術 / 化学結合力AFM技術 / 単一分子計測 / 透過電子顕微鏡 / カーボンナノチューブ(CNT) / WENT-AFM技術 / カーボンナノチューブの化学修飾 / 分子認識AFM技術 / 単一細胞計測 / 単一蛋白質計測

研究概要

表面科学分野の研究において多大の貢献をしてきた原子問力顕微鏡(AFM)の今後の大きな応用分野は、溶液中での動作することを生かし溶媒中にある単一の細胞や蛋白質の形状を分子レベルの分解能で直接観察しバイオナノテクノロジー分野への展開を図ることである。更に、細胞内部の構造や機能を計測することができるようになると、バイオ材料分野の研究から生命科学の分野への展開も図ることが出来る。
本研究では、将来、細胞内部を探索できるカーボンナノチューブAFM技術の要素技術として、先端形状がナノスケールで機械的・化学的に最も安定した材料であるカーボンナノチューブ(CNT)の一本を市販のシリコンAFM探針先端に接着する技術、モデル細胞膜としてDMPC分子を用いた人工脂質二分子膜の作製技術、さらに前者を後者に挿入する技術を確立した。また、CNT探針先端にカルボン酸で化学修飾し、試料としてマイクロコンタクトプリンティング法により作製した親・疎水性パターンを両者間に働く微弱な分子間力のAFM計測を通して明確にした。これにより、化学種を識別する技術(化学力AFM技術)の基礎を確立し、DNA塩基読み取り技術への見通しを得た。
一方、細胞内外には多種多様のバイオ高分子が存在しており、AFM探針との間に非特異的な相互作用をする。この非特異的な相互作用を計測するため、高分子ゲルの表面あるいは内部にポリエチレングリコール1分子を接着・埋め込み両者間の相互作用力の測定を行いそれぞれに固有の非線形力を得た。更に、1分子の方向を規定してマニピュレーションする技術の基礎の確立にも成功した。また、ヒト肝細胞に探針を押し付けた後の応力緩和測定から細胞の動的な粘弾性に関する知見が得られること見出した。これらの成果により、細胞の構造と機能を理解するための力学的手法による基礎が確立できた。

研究成果

• [雑誌論文] Stress relaxation of HepG2 cells measured by atomic force microscopy (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Okajima 他
  • 雑誌名: Nanotechnology 18-8 ページ: 84010-84014
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Force Spectroscopy on Single Polymer Incorporated into Polymer Gels (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Okajima 他
  • 雑誌名: Journal of Nanoxcience and Nanotechnology 7-3 ページ: 790-795
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 小型走査電子顕微鏡用力-ボンナノチュ-ブ電子銃の安定性評価 (2007)
  • 著者名/発表者名: 菅洋志 他
  • 雑誌名: 真空 50-6(印刷中)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Stress relaxation of HepG2 cells measured by atomic force microscopy (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Okajima, M.Tanaka, S.Tsukiyama, T.Kadowaki, S.Yamamoto, M.Shimomura, H.Tokumoto
  • 雑誌名: Nanotechnology 18-8 ページ: 84010-84014
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Force Spectroscopy on Single Polymer Incorporated into Polymer Gels (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Okajima, X.M.Tao, H.Azehara, H.Tokumoto
  • 雑誌名: J.Nanoscience ＆ Nanotechnology 7-3 ページ: 790-795
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Stable Operating Condition of Carbon Nanotube Field Electron Emitter for Small Size Scanning Electron Microscope (2007)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sugam Teruaki Ohno, Miyuki Tanaka, Yasushiro Nishioka, Hiroshi Tokumoto, Tetsuo Shimizu
  • 雑誌名: Vacuum 50-6(in print)
  • NAID: 10019554702
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Force Spectroscopy on Single Polymer Incorporated into Polymer Gels (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Okajima, X-M.Tao, H.Azehara, H.Tokumoto
  • 雑誌名: Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7-3 ページ: 790-795
• [雑誌論文] 小型走査電子顕微鏡用カーボンナノチューブ電子銃の安定性評価 (2007)
  • 著者名/発表者名: 菅洋志, 大野輝昭, 田中深幸, 西岡泰城, 徳本洋志, 清水哲夫
  • 雑誌名: 真空 50 ページ: 178-180
  • NAID: 10019554702
• [雑誌論文] Scanning Probe Microscope (2006)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Tokumoto
  • 雑誌名: Asakura Publishing, Handbook of Electronic Materials ページ: 4-4
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Mechanical Forces at Solid-Liquid Interface (2006)
  • 著者名/発表者名: Takaharu Okajima, Hiroshi Tokumoto
  • 雑誌名: Kyoritsu Publishing, Introduction to Physics for Nanotechnology ページ: 16-16
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Spectroscopic study on the centrifugal fractionation of soluble single-walled carbon nanotubes (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Lian 他
  • 雑誌名: Carbon 43-13 ページ: 2750-2759
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Large-Scale Separation of Metallic and Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Maeda 他
  • 雑誌名: Journal of American Chemical Society 127-29 ページ: 10287-10290
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Direct observation of field emission sites in a single multiwalled carbon nanotube by Lorenz microscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Fujieda 他
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 44-4A ページ: 1661-1664
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Electrical conductivity measurements of a multi-walled carbon nanotube (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Shimizu 他
  • 雑誌名: Surface and Interface analysis 37-2 ページ: 204-207
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Spectroscopic study on the centrifugal fractionation of soluble single-walled carbon nanotubes (2005)
  • 著者名/発表者名: Yongfu Lian, Yutaka Maeda, Takatsugu Wakahara, Tsukasa Nakahodo, Takeshi Akasaka, Said Kazaoui, Nobutsugu Minami, Tetsuo Shimizu^b, Hiroshi Tokumoto
  • 雑誌名: Carbon 43-13 ページ: 2750-2759
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Large-Scale Separation of Metallic and Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes (2005)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Maeda, Shin-ichi Kimura, Makoto Kanda, Yuya Hirashima, Tadashi Hasegawa, Takatsugu Wakahara, Yongfu Lian, Tsukasa Nakahodo, Takahiro Tsuchiya, Takeshi Akasaka, Jing Lu, Xinwei Zhang, Zhengxiang Gao, Yapeng Yu, Shigeru Nagase, Said Kazaoui, Nobutsugu Minami, Tetsuo Shimizu, Hiroshi Ibkumoto, Riichiro Saito
  • 雑誌名: Journal of American Chemical Society 127-29 ページ: 10287-10290
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Direct observation of field emission sites in a single multiwalled carbon nanotube by Lorenz microscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Fujieda, Kishio Hidaka, Mitsuo Hayashibara, Takeo Kamino, Yoichi Ose, Hidekazu Abe, Tetsuo Shimizu, Hiroshi Tokumoto
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 44-4A ページ: 1661-1664
  • NAID: 10015469932
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Electrical conductivity measurements of a multi-walled carbon nanotube (2005)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Shimizu, Hidekazu Abe, Atsushi Ando, Yoshikazu Nakayama, Hiroshi Tokumoto
  • 雑誌名: Surface and Interface Analysis 37-2 ページ: 204-207
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Atomic Force Microscope : How to use and how to choose AFM for Practical Biotechnology Research. (2005)
  • 著者名/発表者名: Takaharu Okajima, Hideo Arakawa
  • 雑誌名: Ohm Publishing, Bionics ページ: 8-8
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Spectroscopic study on the centrifugal fractionation of soluble single-walled carbon nanotubes (2005)
  • 著者名/発表者名: Yongfu Lian他
  • 雑誌名: Carbon 43・13 ページ: 2750-2759
• [雑誌論文] Large-Scale Separation of Metallic and Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes (2005)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Maeda他
  • 雑誌名: Journal of American Chemical Society 127・29 ページ: 10287-10290
• [雑誌論文] Direct observation of field emission sites in a single multiwalled carbon nanotube by Lorenz microscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Fujieda他
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 44・4A ページ: 1661-1664
• [雑誌論文] Electrical conductivity measurements of a multi-walled carbon nanotube (2005)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Shimizu他
  • 雑誌名: Surface and Interface Analysis 37・2 ページ: 204-207
• [雑誌論文] Versatility of Self-Oscillation Technique with Mechanical-Acoustic Excitations for Frequency Modulation Atomic Force Microscope in Liquids (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Okajima 他
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 43-7B ページ: 4634-4638
  • NAID: 10013431706
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] In situ observation of field emissions from an individual carbon nanotube by Lorents microscopy (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Fujieda 他
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 85-23 ページ: 5739-5741
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Versatility of Self-Oscillation Technique with Mechanical-Acoustic Excitations for Frequency Modulation Atomic Force Microscope in Liquids (2004)
  • 著者名/発表者名: Takaharu Okajima, Hiroshi Ibkumoto
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 43-7B ページ: 4634-4638
  • NAID: 10013431706
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] In situ observation of field emissions from an individual carbon nanotube by Lorents microscopy (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Fujieda, K.Hidaka, M.Hayashibara, T.Kamino, H.Matsumoto, Y.Ose, H.Abe, T.Shimizu, H.Tokumoto
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 85-23 ページ: 5739-5741
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Versatility of self-oscillation technique with mechanical-acoustic excitations for frequency modulation atomic force microscope in liquids (2004)
  • 著者名/発表者名: 岡嶋孝治, 徳本洋志
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 43・7B ページ: 4634-4638
  • NAID: 10013431706
• [図書] 電子材料ハンドブック(分担)「走査プローブ顕微鏡」 (2006)
  • 著者名/発表者名: 徳本洋志
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: 朝倉書店
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] ナノテクのための物理入門(分担)「第11章 : 固液界面ナノ領域の力学」 (2006)
  • 著者名/発表者名: 岡嶋孝治
  • 総ページ数: 16
  • 出版者: 共立出版
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] 電子材料ハンドブック(分担執筆「走査プローブ顕微鏡」) (2006)
  • 著者名/発表者名: 徳本洋志
  • 出版者: 朝倉書店
• [図書] バイオニクス「現場で役立つバイオ機器の使い方・選び方 原子間力顕微鏡(AFM)」 (2005)
  • 著者名/発表者名: 岡嶋孝治 他
  • 総ページ数: 8
  • 出版者: 株式会社オーム社
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 表面位置計測方法および表面位置計測装置 (2005)
  • 発明者名: 岡嶋孝治, 田中賢, 徳本洋志
  • 権利者名: 国立大学法人北海道大学
  • 産業財産権番号: 2005-001538
  • 出願年月日: 2005-01-06
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 分子計測装置および分子計測法 (2004)
  • 発明者名: 岡嶋孝治, 徳本洋志
  • 権利者名: 国立大学法人北海道大学
  • 産業財産権番号: 2004-224573
  • 出願年月日: 2004-07-30
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] ゲル基板材料を用いた分子測定装置および分子測定方法 (2004)
  • 発明者名: 岡嶋孝治, 徳本洋志
  • 権利者名: 国立大学法人北海道大学
  • 産業財産権番号: 2004-262227
  • 出願年月日: 2004-09-09
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 電子顕微鏡 (2004)
  • 発明者名: 徳本洋志, 清水哲夫, 大野輝昭
  • 権利者名: 国立大学法人北海道大学
  • 産業財産権番号: 2004-337967
  • 出願年月日: 2004-11-22
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 電子顕微鏡 (2004)
  • 発明者名: 徳本 洋志, 清水 哲夫, 大野 輝雄
  • 権利者名: 徳本 洋志, 清水 哲夫, 大野 輝雄
  • 産業財産権番号: 2004-337967
  • 出願年月日: 2004-11-22