| 研究課題/領域番号 |
16H06334
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
馬場 俊彦 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (50202271)
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| 研究分担者 |
西島 喜明 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60581452)
福田 淳二 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80431675)
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| 研究期間 (年度) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| キーワード | フォトニック結晶 / ナノレーザ / バイオセンシング / イオントロニクス |
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| 研究実績の概要 |
本年度はGaInAspフォトニック結晶ナノレーザセンサがイオントロニクスセンサとして動作していることを多角的に検証した．まず同センサをプラズマに曝露し，すぐに純水中に入れて動作させると，センシング信号である波長が時間と共に大きくブルーシフトすることが観測され，これがイオントロニクスセンサの傍証となっている．そこで変化が起こる各時刻におけるゼータ電位を測定した．ここでは液体に浸漬したデバイス表面近傍に微粒子を流し，その速度の分布をレーザ測定することで，表面近傍の電位分布を捉え，そこからゼータ電位を見積もる手法を採用した．その結果，プラズマ曝露と共に表面は大きく負に帯電し，フラットバンド電位の電気化学測定を行ったところ，プラズマ曝露と共に電位が正側に大きくなり，時間と共に負側に戻る様子が観測された．一方，半導体内部のショットキー障壁高さの電気化学測定も行ったところ，プラズマ曝露と共に表面は大きく負に帯電して障壁が高くなり，そこから徐々に障壁が減少する様子が見られた．以前に我々は，低いpHの溶液に対して表面が正に帯電し，障壁が減少することを確認し，このときのゼータ電位も正から負に変化すると考えていたが，プラズマ曝露による挙動はゼータ電位とフラットバンド電位の挙動が逆であり，必ずしもpHに対する応答とは一致しない．これはセンシング特性にも表れていて，プラズマ曝露では波長が変化し，強度はあまり変化せず，pHに対しては強度が変化し，波長があまり変化しない．以上を総合し，半導体物性を解析したところ，プラズマ曝露では半導体として用いている量子井戸がショットキー障壁が歪み，それによって量子井戸の障壁層にキャリアがトラップされて，波長をシフトさせること，これは表面再結合をあまり変化させないので，強度が変化しないという実験結果を説明できることがわかった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は平成27年度まで実施してきたナノレーザバイオマーカーセンサの基盤（S)研究において，動作メカニズムが必ずしも屈折率センシングを主要原理としているわけではなく，イオントロニクスセンサともいうべき電荷やイオンに対する感応性の基づいている，という結論を受けて，それをさらに深く探求することを目的としている．この前期の基盤（S)では，特にデバイスを浸漬する溶液のpHを変えたときに表面電荷が変化し，それによって半導体の表面再結合が変調され，発光強度が大きく変化することを見出した．これとナノレーザセンサの主要な信号である波長シフトを結び付けるべく，本年度は実験的，理論的な研究を進めた．イオントロニクスの傍証をさらに明確化すべく，当初は電気化学プローブ顕微鏡を導入する予定であったが，それと同様の電気化学測定をデバイス表面に対して遠隔的に行うことができるゼータ電位計を導入し，さらに電気化学測定と組み合わせることで，デバイス表面近傍に起こる電気化学効果を総合的に計測し，その挙動を時間を追って把握することに成功したことは重要な成果である．結果として，上記の表面再結合をメカニズムとする効果とは別のメカニズムがあることが明らかになり，上記のようなキャリアプラズマ効果が有望とわかったことは大きな前進である．また改めてフォトニックセンサのこれまでのセンシング特性を系統的に調査すると，タンパク質の量に依存した特性を示す結果と，無関係な結果に大きく二分され，高感度が示されているのは半導体を用いたセンサであり，しかも後者の特性を示していることもわかった．これは本研究で用いているGaInAsPではなく，Siを用いたときも同様である．よってSiにおいても，二光子吸収などを起源とした同様のキャリアプラズマ効果がある可能性もわかった．これも本研究の予想を裏付ける状況といえる．
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| 今後の研究の推進方策 |
基本的に当初の予定通りで，これまでの検証とセンサの高性能化を続ける．ゼータ電位測定は基板や表面の保護膜，修飾状況によっても敏感に変化するので，平成28年度に得られた結果をさらに精密化し，理論計算との対応を明確化する．それによって明らかになる各種の依存性を元に，センシング特性の安定化と高性能化をはかる．
また現在，典型的なバイオマーカーである前立腺がんマーカーに対して，さらに安定したセンシングの確立を並行して目指している．これは特にこのマーカーに限定するものではないが，良く知られたマーカーゆえに，文献データが多く，比較しやすいためである．前期の基盤（S)において不純物環境下でも統計的に高感度センシングが行えることを実証済みであるが，さらに安定性を高め，なおかつセンシング感度が発生するしきい値的な濃度を確認することで，定量測定を実現できるとも考えている．また，横浜市立大学医学研究科の協力を得て，アルツハイマー病のバイオマーカーの候補とされるCRMP2タンパク質の試料作製を行っており，既に多くの試料を蓄積している．そこで，PSAに対する安定性が確保できたら，ヒト血液由来のCRMP2からの高感度検出も試す．
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