| 研究課題/領域番号 |
18H03547
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| 研究機関 | 群馬大学 |
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研究代表者 |
曾根 逸人 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (80344927)
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| 研究分担者 |
坂田 利弥 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70399400)
張 慧 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (80794586)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | カンチレバ－半導体複合型バイオセンサ / 検査・診断システム / 医用システム / 電子デバイス・機器 / モニタリング |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、受精卵の外周を固定できるリング型バイオセンサを作製し、育成期間中の質量変化と受精卵から放出されるイオン濃度を同時連続モニタリング可能なシステムの開発を目指す。令和元年度は、以下の成果を得た。
(1) リング型マルチセンサの作製： H30年度の試作センサは、リン酸緩衝液中の動作で電極の腐食が発生したため、絶縁保護膜の形状を設計変更して、新たなフォトマスクを東大VDECの電子線描画装置（F5112，ADVANTEST）で作製した。また、絶縁材料を酸化シリコンから窒化シリコンに変更した。
(2) リング型マルチセンサの特性評価システムの開発： センサの梁に埋設されたピエゾ抵抗と外部抵抗でブリッジ回路を作り、データ集録システムとLabVIEW（NI）ソフトで検出回路を構築した。リング部に約440 ngのポリスチレンビーズを搭載したところ、30 mVの出力変化が得られた。また、リング内周表面に形成された半導体センサはソースメータを用いた表面電位測定回路を構築した。人工海水中でセンサリング部にウニ卵子を搭載した後に受精させ、32細胞になるまでの表面電位を測定したところ、約17 mVの上昇が確認できた。これは坂田らがバイオトランジスタを用いて測定した先行研究と類似しており、受精卵の呼吸活性が測定できたものと考えている。事前に測定したセンサのpH感度23.5 mV/pHから、呼吸活性によるpH変化は約pH0.7と見積もられた。
(3) リング型マルチ卵重計システムの開発： 受精卵を安全かつ確実にリングセンサへ搭載するため、デバイスの上部と下部に厚さ200 μm、幅1.5 mmのマイクロ流路をPDMSで試作した。マイクロ流路を平坦な基板上に固定して溶液を流したところ、漏洩無く供給されることが確認できた。しかし、リングセンサへの固定では外部電極との段差があるため、漏洩が生じた。
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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
前記(1)のリング型マルチセンサの作製では再設計したフォトマスクを作製して、電極形成後の基板に対して重ねフォトリソグラフィにより窒化シリコンを用いた絶縁膜が形成できることを確認した。そして、溶液中での電極腐食が無く、電流リークも防止できることが確認できた。
(2)のリング型マルチセンサの特性評価システムの開発では、(1)で作製したリングセンサを用いて、ポリスチレンビーズ搭載による出力変化を測定できた。また、ウニ卵子から32細胞までの成長に伴う表面電位変化が測定できて、その変化量は先行研究と同程度で、成長に伴う表面電位変化の傾向も類似していたので、ウニ受精卵の代謝に伴って放出されるイオン濃度変化が検出できたと考えている。質量と表面電位の同時測定ができなかった点が不十分ではあるが、別々であっても測定できたことは大きな進捗であると考えている。同時測定ができなかったのは、センサの変位特性および表面電位測定における検出感度にバラつきがあり、ウニ受精卵に使用したセンサが動作しなかったことが原因と考えている。年度末にセンサの再試作を予定していたが、コロナ禍の影響で東京大学への出張ができなくなったことから、次年度での対応を予定している。
(3)のリング型マルチ卵重計システムの開発では、マイクロ流路の型を初めて試作して、PDMSを用いたマイクロ流路が作製でき、平坦な基板への固定では溶液が流れることを確認できた点は、進捗があった。しかし、リングセンサへの固定では溶液が漏洩したことから、改善が必要で達成度は低いと考えている。
以上の理由より、研究が遅れている部分はあるが、多くの進捗した部分があるので、総合的にはおおむね順調に進んでいると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度は、以下の3項目について研究を進める。
1) マルチセンシング可能なマルチ卵重計の作製（曾根、張）： 前述のように、ポリスチレンビーズ搭載による質量測定およびウニ受精卵の呼吸活性に伴う表面電位変化を個別に測定することができたが、センサの変位特性および表面電位測定における検出感度にバラつきがあり、質量と呼吸活性の同時測定は実現できなかった。これは、主にドーピング工程、反応性イオンエッチング（RIE）による犠牲層（埋込酸化層）のエッチング工程に課題があることが原因のため、それら条件を最適化して再試作を行い、マルチセンシングを目指す。
2) マルチ卵重計を用いた受精卵の質量と呼吸活性の同時計測（曾根、張、坂田）： 今年度導入したデータ集録システムとLabVIEWソフトを用いて、リングセンサの変位と振動検出による質量測定およびリング表面に形成された半導体センサによる表面電位の同時測定システムを開発する（曾根、張）。そして、ウニやマウス受精卵を用いた質量と呼吸活性の同時計測を行い、センサの検出感度を評価する（坂田、曾根）。
3) マルチ卵重計を用いた受精卵の質量と呼吸活性のモニタリング（坂田，曾根，張）： 試作したマイクロ流路は液漏れが発生したので、マイクロ流路を設計し直した上で、センサとの位置合わせと接着方法を改善して再試作を行い、その中を受精卵が転がってセンサに搭載されるようにする。また、培養液を逆流させれば安全に回収できることを確認する。以上が実現できれば、培養液を供給すると同時にリングセンサに受精卵を押し付けて固定できるので、マウス受精卵の質量と呼吸活性の同時連続測定が可能になると考える。そして、培養4日間のマルチモニタリングを目指す。なお、流路設計と評価は坂田が担当し、製作は初年度導入したプラズマスパッタ装置等を用いて曾根と張が担当する。
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