グラフェントランジスタで計測可能な汎用的酵素反応系の探索とその酵素免疫法への応用

• 研究課題/領域番号: 18K14107
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分28050:ナノマイクロシステム関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小野 尭生 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (00752875)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2018年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: グラフェン / 酵素反応 / 電界効果トランジスタ / マイクロ流体デバイス / デバイ長 / 病原体 / グラフェントランジスタ / マイクロウェル / 酵素免疫法 / ウイルス / 実時間反応計測 / 酵素 / バイオセンシング / 微小液滴 / ELISA / インフルエンザウイルス / バイオセンサー / 酵素反応計測

研究成果の概要

本研究では、グラフェンのユニークな特性を利用した生化学研究のための新たなプラットフォーム"Lab on a graphene-FET"構想の一環として、マイクロウェルと複合化したグラフェントランジスタによる高感度バイオセンシングを発展させ、より汎用的な酵素反応系で検出・定量が可能であることを見出した。これを酵素免疫法に応用し、検出標的であるインフルエンザウイルスに結合した酵素抗体複合体に特異的な電流シグナルを計測した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

研究代表者が原理実証した、「酵素反応産物による電気的な生体分子検出」と「反応系のマイクロメートルスケールへの封じ込め」による高感度なバイオセンシング技術の実用化に向けて、酵素反応系の改変と抗体との複合化によって、技術の適用範囲を拡げることが出来た。これらを通じて、研究代表者の提唱する"lab on a graphene-FET"の可能性を拡げることが出来た。

研究成果

• [雑誌論文] Graphene Field Effect Transistor-Based Immunosensor for Ultrasensitive Noncompetitive Detection of Small Antigens (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanai Y, Ohmuro-Matsuyama Y, Tanioku M, Ushiba S, Ono T, Inoue K, Kitaguchi T, Kimura M, Ueda H, Matsumoto K
  • 雑誌名: ACS Sens. 巻: 5 号: 1 ページ: 24-28
  • DOI: 10.1021/acssensors.9b02137
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low dark current and high-responsivity graphene mid-infrared photodetectors using amplification of injected photo-carriers by photo-gating (2019)
  • 著者名/発表者名: Fukushima Shoichiro、Shimatani Masaaki、Okuda Satoshi、Ogawa Shinpei、Kanai Yasushi、Ono Takao、Inoue Koichi、Matsumoto Kazuhiko
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 44 号: 10 ページ: 2598-2598
  • DOI: 10.1364/ol.44.002598
  • 査読あり
• [雑誌論文] Broadband photoresponse of graphene photodetector from visible to long-wavelength infrared wavelengths (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinpei Ogawa, Masaaki Shimatani, Shoichiro Fukushima, Satoshi Okuda, Yasushi Kanai, Takao Ono, Kazuhiko Matsumoto
  • 雑誌名: Optical Engineering 巻: 58 号: 05 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1117/1.oe.58.5.057106
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrical Biosensing at Physiological Ionic Strength Using Graphene Field-Effect Transistor in Femtoliter Microdroplet (2019)
  • 著者名/発表者名: Takao Ono, Yasushi Kanai, Koichi Inoue, Yohei Watanabe, Shin-ichi Nakakita, Toshio Kawahara, Yasuo Suzuki, Kazuhiko Matsumoto
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 19 号: 6 ページ: 4004-4009
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01335
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effective binding of sugar chains to influenza virus on the surface by bovine serum albumin localization (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawahara Toshio、Hiramatsu Hiroaki、Ohmi Yuhsuke、Sriwilaijaroen Nongluk、Suzuki Yasuo、Nakakita Shin-ichi、Watanabe Yohei、Ohno Yasuhide、Maehashi Kenzo、Ono Takao、Kanai Yasushi、Matsumoto Kazuhiko
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SI ページ: SIID03-SIID03
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab1b68
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] PB2 mutations arising during H9N2 influenza evolution in the Middle East confer enhanced replication and growth in mammals. (2019)
  • 著者名/発表者名: Arai Y, Kawashita N, Ibrahim MS, Elgendy EM, Daidoji T, Ono T, Takagi T, Nakaya T, Matsumoto K, Watanabe Y.
  • 雑誌名: PLOS Pathogens 巻: 15(7) 号: 7 ページ: e1007919-e1007919
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1007919
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Interfacial oxidation protection and thermal-stable sinter Ag joining on bare Cu substrate by single-layer graphene coating (2019)
  • 著者名/発表者名: Chen Chuantong、Zhang Zheng、Kim Dongjin、Zhang Bowen、Tanioku Masami、Ono Takao、Matsumoto Kazuhiko、Suganuma Katsuaki
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 497 ページ: 143797-143797
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.143797
  • 査読あり
• [雑誌論文] State-space modeling for dynamic response of graphene FET biosensors (2019)
  • 著者名/発表者名: Ushiba Shota、Okino Tsuyoshi、Miyakawa Naruto、Ono Takao、Shinagawa Ayumi、Kanai Yasushi、INOUE Kouichi、Takahashi Kohei、Kimura Masahiko、Matsumoto Kazuhiko
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SG ページ: SGGH04-SGGH04
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab65ac
  • NAID: 210000157932
  • 査読あり
• [学会発表] グラフェントランジスタを用いたノイラミニダーゼ反応 の計測基盤 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小野 尭生、鎌田 果歩、林 亮太、Piacenti Alba Rosa、Gabutt Calum、宮川 成人、山本 佳織、Sriwilaijaroen Nongluk、平松 宏明、金井 康、小山 知弘、井上 恒一、牛場 翔太、品川 歩、木村 雅彦、中北 愼一、河原 敏男、家 裕隆、渡邉 洋平、鈴木 康夫、千葉 大地、Contera Sonia、松本 和彦
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] インフルエンザウイルス検出のためのグラフェン FET 上 への ヒト型シアロ糖鎖修飾方法の検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本 佳織、小野 尭生、宮川 成人、金井 康、小 山 知弘、谷奥 正巳、牛場 翔太、品川 歩、井上 恒 一、渡邊 洋平、中北 愼一、河原 敏男、鈴木 康夫、木村 雅彦、千葉 大地、松本 和彦
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 抗インフルエンザ抗体を提示したグラフェンFETによる インフルエンザウィルス検出法の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 南保 舞子、小野 尭生、宮川 成人、金井 康、小山 知弘、谷奥 正巳、牛場 翔太、品川 歩、井上 恒一、渡邊 洋平、中北 愼一、河原 敏男、鈴木 康夫、木村 雅彦、千葉 大地、松本 和彦
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] SiN膜によるグラフェン保護プロセスの検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 谷奥 正巳、小野 尭生、金井 康、小山 知弘、宮 川 成人、牛場 翔太、木村 雅彦、井上 恒一、千葉 大 地、松本 和彦
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] グラフェンFETによるヒト血清中におけるオープンサン ドイッチ免疫測定法を用いたバイオセンシング (2020)
  • 著者名/発表者名: 金井 康、大室 有紀、牛場 翔太、小野 尭生、井 上 恒一、木村 雅彦、上田 宏、松本 和彦
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] グラフェンバイオセンサにおけるゲートリーク電流低減 検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂野 喜代治、小野 尭生、金井 康、小山 知弘、谷奥 正巳、山本 佳織、宮川 成人、牛場 翔太、木村 雅彦、井上 恒一、千葉 大地、松本 和彦
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] New Modification Method of Sugar Chain on Graphene FET for Selective Detection of Virus (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Yamamoto、T. Ono、N. Miyakawa、Y. Kanai、T. Koyama、M. Tanioku、S.Ushiba、A.Shinagawa、K. Inoue、Y. Watanabe、S. Nakakita、T. Kawahara、Y. Suzuki、M. Kimura、D. Chiba、and K. Matsumoto
  • 学会等名: WINDS2019
  • 国際学会
• [学会発表] Lab-on-a-graphene-FET: a two-dimensional assay platform for biochemical reactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Takao Ono
  • 学会等名: 8th imec Handai International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] ELECTRICAL DETECTION OF PATHOGENS BEYOND THE LIMITATION OF DEBYE SCREENING USING GRAPHENE FIELD-EFFECT TRANSISTORS IN MICRODROPLETS (2019)
  • 著者名/発表者名: Takao Ono、Yasushi Kanai、Inoue Koichi、Watanabe Yohei、Nakakita Shin-ichi、Kawahara Toshio、Yasuo Suzuki、Kazuhiko Matsumoto
  • 学会等名: The 23rd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences（MicroTAS 2019）
  • 国際学会
• [学会発表] 界面近傍で生じる生化学反応の２次元ナノ材料を用いた計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小野尭生
  • 学会等名: 新世代研究所界面ナノ科学研究会 2019年度第1回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] :グラフェン電界効果トランジスタとフェムトリットルチャンバーを用いたデバイ遮蔽を超える電気的バイオセンシング (2019)
  • 著者名/発表者名: 小野尭生、金井 康、井上 恒一、渡邊 洋平、中北 愼一、河原 敏男、鈴木 康夫、松本 和彦
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会 The 57th Annual Meeting of the BSJ
• [学会発表] 光ゲート効果を用いた高感度グラフェン赤外検出器のグラフェン形状依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福島 昌一郎、嶋谷 政彰、奥田 聡志、小川 新平、金井 康、小野 尭生、井上 恒一、松本 和彦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高感度グラフェン赤外線センサの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小川 新平、嶋谷 政彰、福島 昌一郎、奥田 聡志、金井 康、小野 尭生、井上 恒一、松本 和彦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] BSA固定化シアリルラクトサミンのインフルエンザウイルス結合活性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 河原 敏男、平松 宏明、大海 雄介、鈴木 康夫、林 京子、中北 愼一、渡邊 洋平、大野 恭秀、前橋 兼三、小野 尭生、金井 康、松本 和彦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] グラフェンFETバイオセンサ応答の状態空間モデリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 牛場 翔太、沖野 剛士、宮川 成人、小野 尭生、品川 歩、金井 康、井上 恒一、高橋 講平、木村 雅彦、松本 和彦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] グラフェン電界効果トランジスタ上のシアロ糖鎖修飾プロセスの検討グラフェン電界効果トランジスタ上のシアロ糖鎖修飾プロセスの検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山本 佳織、小野 尭生、宮川 成人、金井 康、小山 知弘、谷奥 正巳、牛場 翔太、品川 歩、井上 恒一、渡邊 洋平、中北 愼一、河原 敏男、鈴木 康夫、木村 雅彦、千葉 大地、松本 和彦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] グラフェンFETにおけるオープンサンドイッチ免疫測定法を用いた低分子ペプチドの電圧印加による高感度検出 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金井 康、大室 有紀、牛場 翔太、小野 尭生、井上 恒一、木村 雅彦、上田 宏、松本 和彦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 電荷注入型グラフェン赤外検出器における光ゲート効果の実証 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福島 昌一郎、嶋谷 政彰、奥田 聡志、小川 新平、金井 康、小野 尭生、井上 恒一、松本 和彦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] グラフェン電界効果トランジスタとフェムトリットルチャンバーを用いたデバイ遮蔽の制約を超える病原体の検出 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小野 尭生、金井 康、小山 知弘、井上 恒一、渡邊 洋平、中北 愼一、河原 敏男、鈴木 康夫、千葉 大地、松本 和彦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Lab on a G-FETによる高感度バイオアッセイ (2019)
  • 著者名/発表者名: 小野 尭生
  • 学会等名: 1st Quantum Interface and Semiconductor Electronics Workshop(QISE2019)
• [学会発表] Lab-on-a-graphene-FET for high-sensitive bioassay (2019)
  • 著者名/発表者名: 小野尭生
  • 学会等名: Taiwan-Japan Joint Seminar for biomedical informatics and engineering
  • 国際学会
• [学会発表] Biosensor Array Using CVD-Grown Graphene for Influenza Virus Detection (2019)
  • 著者名/発表者名: Takao Ono,?Shota Ushiba、Yasushi Kanai、Naruto Miyakawa、Ayumi Shinagawa、Kaori Yamamoto、Masami Tanioku、Yasuhide Ohno、Kenzo Maehashi、Koichi Inoue、Yohei Watanabe、Shin-ichi Nakakita、Toshio Kawahara、Masahiko Kimura、Yasuo Suzuki、and Kazuhiko Matsumoto
  • 学会等名: 61st Electronic Materials Conference (EMC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Bio-sensing of small peptides by open sandwich immunoassay on graphene FETs (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Kanai、Yuki Ohmuro-Matsuyama、Masami Tanioku、Shota Ushiba、Takao Ono、Koichi Inoue、Masahiko Kimura、Hiroshi Ueda、Kazuhiko Matsumoto
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Detection of small peptides by open sandwich immunoassay (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Kanai、Yuki Ohmuro-Matsuyama、Masami Tanioku、Shota Ushiba、Takao Ono、Koichi Inoue、Masahiko Kimura、Hiroshi Ueda、Kazuhiko Matsumoto
  • 学会等名: EMN Rome Meeting on Carbon Nanostructures 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Detection of Human-Infectious Influenza Virus Using Sialoglycan-Modified Graphene Field-Effect Transistor (2018)
  • 著者名/発表者名: Takao Ono, Takuya Kawata, Shota Ushiba, Yasushi Kanai, Yasuhide Ohno, Kenzo Maehashi, Koichi Inoue, Yohei Watanabe, Shin’ichi Nakakita, Yasuo Suzuki, Toshio Kawahara, Masahiko Kimura, and Kazuhiko Matsumoto
  • 学会等名: 2018 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [備考] 世界中が注目するグラフェンの社会実装へ。高感度かつ簡便なバイオセンシング手法を開発
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2019/20190618_2