| 研究課題/領域番号 |
23K23373
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| 補助金の研究課題番号 |
22H02105 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分34020:分析化学関連
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| 研究機関 | 山梨大学 |
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研究代表者 |
井上 久美 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (20597249)
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| 研究分担者 |
鈴木 孝明 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (10378797)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2023年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2022年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
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| キーワード | ケミカルイメージング / バイオイメージング / バイポーラ電気化学 / 微小電極アレイ / 電気化学センサ / マイクロ電極アレイ / 三次元フォトリソグラフィ / カソード電気化学発光 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、細胞間コミュニケーションの解明のための化学イメージングシステム開発の研究を行う。従来の電気化学顕微鏡の時間分解能と空間分解能の両立問題を解決する革新的な方法として発案し、原理検証を完了した「バイポーラ電気化学顕微鏡」について、高感度化、高解像度化、高速化のための研究を進め、神経細胞からのドーパミン放出など、単一細胞レベルの生体機能イメージングを行える革新的な観察プラットフォームとする。さらに、発光試薬の開拓や電極へのバイオ分子修飾により検出可能分子種の拡張を図り、広く生命科学研究に利用できる手法に発展させる。
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| 研究実績の概要 |
高時間分解能達成のための高感度化の検討として、三次元リソグラフィ法のひとつである回転露光技術によって、フォトレジスト膜にテーパー孔アレイを作製し、孔に電極材料を詰めてバイポーラ電極アレイとしての特性を評価した。平均電極面積比が0.962のアレイと比較して0.689のアレイは各電極点の輝度が高く、高感度化できることが分かった。
検出可能分子を拡張するための研究として、カソードでECLを生じる試薬の検討を進め、PDI-CH3/K2S2O8を採用することで、 [Ru(bpy)3]C2/酸化型グルタチオンで問題となっていたバックグランドを解消できた。また、PDI-CH3を中和して電極表面に塗布する「被膜法」と、ペースト電極に練りこむ「練り込み法」の二つを検討した。練り込み法は、カーボンペーストより金ペーストを利用すると輝度が大きく向上することが分かり、プラズモン効果等が寄与していることが示唆された。
光学限界突破に向けた超高解像度化の検討として、本年度はファイバー電極アレイを用いるハノ字アレイの開発を進めた。電極ピッチをサブミクロンサイズまで小さくする方法として、炭酸ガスレーザーナノファイバーの利用を検討した。その結果、熱延伸ファイバーをさらに炭酸ガスレーザーで細線化する方法に可能性があることが分かった。
このほかに、バイポーラ電極の両極の電極電位を測定し、電流や電気化学発光特性との関連を評価することで、バイポーラ電気化学系の動作について基礎的かつ重要な知見を得た。また、高解像度の電気化学イメージを得るための高密度バイポーラ電極アレイの作製方法として、多孔質アルミナの検討も進展した。均一発光を得るために均一に導電性材料をマイクロ孔アレイに充填する方法として油圧卓上プレス機を用いる充填法（特許出願済）を確立することができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初の計画に加えて、バイポーラ電気化学系の動作について基礎的かつ重要な知見を得ることができた。また、多孔質アルミナの検討も進展し、高密度バイポーラ電極アレイの作製の検討が進んだほか、均一に導電性材料をマイクロ孔アレイに充填する方法として油圧卓上プレス機を用いる充填法を確立し、より正確な濃度分布イメージングが可能な技術開発が進んだ。
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| 今後の研究の推進方策 |
高時間分解能達成のための高感度化の検討として、複数のテーパー条件での比較を行い、理論通りの高感度化が可能であるかどうか、詳細の検討を行う。この際、均一発光することが重要となるため、発光基質の検討も進める。
検出可能分子を拡張するための研究として、PDI-CH3/K2S2O8をカソーディックルミノフォアに用いて、細胞から放出されるレベルのドーパミン濃度を定量できることを示す。さらに、神経様細胞を用いて、バイオ計測に挑戦する。また、脳のエネルギー物質として重要な乳酸をイメージングするために、乳酸オキシダーゼ修飾電極とバイポーラ電気化学を組み合わせた手法を検討する。
光学限界突破に向けた超高解像度化の検討として、炭酸ガスレーザーにより、ナノメートルサイズの電極を複数持つアレイの作製を進め、これのテーパリングに取り組む。
これらに加えて、多孔質アルミナ膜の孔の検討など、より高密度な電極アレイを作製する方法の検討をさらに進める。また、均一発光を得るための電極充填法や発光基質の検討をさらに進める。これらの検討が進み、高密度電極アレイで均一な発光が得られるようになった後、実証試験として、生きている細胞近辺の酸素濃度プロファイルを本手法で求めて、細胞の呼吸活性を算出する検討を進める。
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