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2015 年度 実績報告書

化学集積回路の創成と医療機器への展開

研究課題

研究課題/領域番号 25220906
研究機関名古屋大学

研究代表者

中里 和郎  名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90377804)

研究分担者 宇野 重康  立命館大学, 理工学部, 教授 (40420369)
新津 葵一  名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (40584785)
大河内 美奈  東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (70313301)
研究期間 (年度) 2013-05-31 – 2018-03-31
キーワード電子デバイス・集積回路 / バイオセンサ集積回路
研究実績の概要

1.生体分子のオンチップ・リアルタイム増幅検出:酸化還元電位検出法を用いた64×64電位センサアレイ集積回路を開発し,DNA塩基配列検出の基礎実験を行った.プライマー伸長反応に伴って放出されるピロリン酸を酵素反応によりフェリシアン・フェロシアンの濃度比に変換して検出する.20dB以上の大きなS/N比を得ることに成功した.
2.生体1分子分布の電気的計測:生体1分子を同時並行で電気的に検出する方法として,酸化還元電流とインピーダンスを用いる方法を検討し,電流により細菌の数をカウントするセンサの基礎実験を行った.微細な金電極を形成するため,標準CMOSの最上層配線であるAlを無電解Auメッキする自己整合プロセスを開発し,バクテリアサイズのビーズ及びヒーラ細胞の検出に成功した.
3.化学反応検出制御回路:スタティック・センサセル回路として電位,電流,インピーダンス,光を統合した標準・汎用チップを設計・試作した.ダイナミック・センサセルとして,アナログ検出信号を電流パルスの時間幅で表し,時間の対数をディジタル信号に変換するTDC(Time-to-Digital Converter)を新たに提案し,試作により時間分解能・消費電力ともに従来回路に比べ1/25の向上と6桁の高ダイナミックレンジを実証した.化学反応の制御技術として,マイクロフルイドによる流れ制御,電界による電気泳動,磁場による磁性ビーズの輸送,ヒーターと温度計による温度制御,をチップ上で行う初期実験に成功した.
4.化学集積回路に向けたマイクロフルイド形成:半導体集積回路とPDMSのマイクロフルイドを一体化するプロセスを開発した.
5.検査・診断総合システム構築:バッテリー駆動の小型分析装置を試作した.双フロー系の参照電極を装置内に組み込むことにより,装置の小型化に成功した.

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

生体分子のオンチップ・リアルタイム増幅検出、生体1分子分布の電気的計測に関しては、ようやく装置が完成し原理実験が行える段階に来ており、平成28年度には結果を出せる段階にある。化学反応検出制御回路、化学集積回路に向けたマイクロフルイド形成、検査・診断総合システム構築に関しては、当初の目的を達成しており、残り2年で当初の目標を超える研究に進展させ、予定以上の成果をあげるようにしたい。

今後の研究の推進方策

1. リアルタイムRNA検出:マイクロRNAが癌やウィルス・細菌のマーカーになることが知られるようになり、極微のマイクロRNA検出の重要性が高まっている。極微のマイクロRNAを検出する方法として、NASBA法を用いてマイクロRNAを一定温度(55℃)で10万倍まで増幅しながら、pHもしくは酵素反応系を介した酸化還元電位を検出する方法を開発する。
2. 細菌カウント:1μmほどの細菌をウエル上の電極に捕獲し、インピーダンス・電流の変化により1個ずつカウントする検査装置を作製する。1μmの電極形成法として、標準CMOSプロセスで形成した最上層配線層(Al)を無電解メッキ法を用いてAuに置換する。これにより、細菌を捕獲するウエルと電極を自己整合的に形成することができる。ウエル下に抗体を固定し、特定の細菌を捕獲する実験を平成28年度に行い、平成29年度にプロトタイプ機を作製する。
3. C4D, UV-VISによるクロマトグラフィ・電気泳動
C4D, UV-VISによるクロマトグラフィ・電気泳動は、分析器の標準となっており、化学集積回路においても、基本構成要素であり、既にオンチップの基礎実験を行っている。C4Dはキャパシタを介して溶液の局所的なイオン伝導度を測るもので、電極と溶液間のキャパシタを大きくする必要があり、絶縁膜を100nm以下に薄く形成する必要がある。また、溶液を淀みなく流すためには、表面の平坦性が求められる。このため、電極・絶縁膜を形成した後、一旦平坦化して電極の頭出しを行い、薄い絶縁膜を形成するプロセスを開発する。
UV-VISに対しては、絶縁膜多層構造を用いたFabry-Perot干渉計による波長フィルタを形成する等により、機能向上を図る。

備考

・国際分析機器展示会 PITTCON2016 に名古屋大学として出展、Booth#4128, 2016年3月6日―3月10日、アメリカ・アトランタ

  • 研究成果

    (32件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 5件、 謝辞記載あり 5件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 23件) 備考 (2件) 産業財産権 (2件) (うち外国 2件)

  • [雑誌論文] Design and experimental verification of low-voltage two-dimensional CMOS electrophoresis platform with 32 x 32 sample/hold cell array2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Yamaji, K. Niitsu, and K. Nakazato
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 03DF07

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A Low-Power Inverter-Based CMOS Level-Crossing A/D Converter for Low-frequency Biosignal Sensing2016

    • 著者名/発表者名
      Suiki Tanaka, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 03DF10

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Design and experimental demonstration of low-power CMOS magnetic cell manipulation platform using charge recycling technique2016

    • 著者名/発表者名
      K. Niitsu, K. Yoshida, and K. Nakazato
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 03DF13

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Development of Microelectrode Arrays Using Electroless Plating for CMOS-Based Direct Counting of Bacteria and HeLa Cells2015

    • 著者名/発表者名
      K. Niitsu, S. Ota, K. Gamo, H. Kondo, M. Hori, and K. Nakazato
    • 雑誌名

      IEEE Trans. Biomedical Circuits and Systems

      巻: 9 ページ: 607-619

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Analysis and Experimental Verification of DNA Single Base Polymerization Detection Using CMOS FET-Based Redox Potential Sensor Array2015

    • 著者名/発表者名
      H. Ishihara, K. Niitsu, and K. Nakazato
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 54 ページ: 04DL05

    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Design of a CMOS Voltage-to-Current Converter with Dynamic Range Enhancement Using Source Degeneration2016

    • 著者名/発表者名
      Kiichi Niitsu, Kei Ikeda, Keita Muto, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of CMOS Magnetic-Based Microbeads Detection Using an Asynchronous Intra-Chip Inductive-Coupling Transceiver2016

    • 著者名/発表者名
      Kiichi Niitsu, Kohei Yoshida, Atsuki Kobayashi, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis on Scalability of Current-Mode Analog-to-Time Converter for a High-Resolution CMOS Biosensor Array2016

    • 著者名/発表者名
      Kei Ikeda, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Design Methodology of Supply-Sensing CMOS Biosensor Using Bio-Fuel Cell for Energy-Autonomous Healthcare Application2016

    • 著者名/発表者名
      Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Temparature-Regulated CMOS Biosensor Platform for Portable MicroRNA Amplification and Detection2016

    • 著者名/発表者名
      Masaki Kawase, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Pad-Less CMOS Biosensor Array Chip for Low-Cost Packaging-Less Bio-Imaging Platform2016

    • 著者名/発表者名
      Yuya Hayashi, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Energy-Autonomous, Disposable, Supply-Sensing Biosensor using Bio-Fuel Cell and Low-Voltage All-Digital CMOS Supply-controlled Ring Oscillator with Inductive-Coupling Transmitter2016

    • 著者名/発表者名
      Kiichi Niitsu, Atsuki Kobayashi, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhancement of Open Circuit Voltage of Implantable CMOS-Compatible Glucose Fuel Cell by Improving the Anodic Catalyst2016

    • 著者名/発表者名
      Takashi Ando, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Bioluminescence Detection using Photosystem I Bio-photosensor2016

    • 著者名/発表者名
      Taichi Sakabe, Kiichi Niitsu, Mariko Miyachi, Yoshinori Yamanoi, Hiroshi Nishihara, Tatsuya Tomo, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Low-voltage Electrophoresis on a CMOS Platform with 32x32 Sample/Hold Cell Array2016

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Yamaji, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] A CMOS Magnetic-Based Beads Recognition Circuit for Multi-Object Biosensing2016

    • 著者名/発表者名
      Hisashi Yokoi, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Bacteria counting using electoless-plated 1024 × 1024 microelectrode array and CMOS-based current integration circuit2016

    • 著者名/発表者名
      Kohei Gamo, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conference on Plasmas-Nano Technology & Science
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of an Energy-Autonomous, Disposable, Supply-Sensing Biosensor Using Bio Fuel Cell and 0.23-V 0.25-µm Zero-Vth All-Digital CMOS Supply-Controlled Ring Oscillator with Inductive Transmitter2016

    • 著者名/発表者名
      Kiichi Niitsu, Atsuki Kobayashi, Yudai Ogawa, Matsuhiko Nishizawa, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      IEEE Asia and South Pacific Design Automation Conference
    • 発表場所
      Macao SAR, China
    • 年月日
      2016-01-25 – 2016-01-28
    • 国際学会
  • [学会発表] Low-noise CMOS amperometric sensor for high-sensitivity bacteria counting2015

    • 著者名/発表者名
      Kohei Gamo, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      IEEE Transdisciplinary-Oriented Workshop for Emerging Researchers
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-11-28 – 2015-11-28
    • 国際学会
  • [学会発表] A Low-Voltage CMOS Electrophoresis Chip with 32 × 32 Sample/Hold Cell Array2015

    • 著者名/発表者名
      Yuuji Yamaji, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      IEEE Transdisciplinary-Oriented Workshop for Emerging Researchers
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-11-28 – 2015-11-28
    • 国際学会
  • [学会発表] An Energy-Autonomous, Disposable, Big-Data-Based Supply-Sensing Biosensor Using Bio Fuel Cell and 0.23-V 0.25-μm Zero-Vth All-Digital CMOS Supply-Controlled Ring Oscillator with Inductive Transmitter2015

    • 著者名/発表者名
      Kiichi Niitsu, Atsuki Kobayashi, Yudai Ogawa, Matsuhiko Nishizawa, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference
    • 発表場所
      Atlanta, Georgia, USA
    • 年月日
      2015-10-22 – 2015-10-24
    • 国際学会
  • [学会発表] Noise-Immune Current-Integration-Based CMOS Amperometric Sensor Platform with 1.2 μm × 2.05 μm Electroless-Plated Microelectrode Array for Robust Bacteria Counting2015

    • 著者名/発表者名
      Kohei Gamo, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference
    • 発表場所
      Atlanta, Georgia, USA
    • 年月日
      2015-10-22 – 2015-10-24
    • 国際学会
  • [学会発表] A CMOS Current Integrator with 1.2um × 2.05um Electroless-Plated 1024 × 1024 Microelectrode Array for High-Sensitivity Bacteria Detection2015

    • 著者名/発表者名
      Kohei Gamo, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-06-22 – 2015-06-24
    • 国際学会
  • [学会発表] An Inverter-Based CMOS Level-Crossing ADC for Low-Power Biosensing2015

    • 著者名/発表者名
      Suiki Tanaka, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-06-22 – 2015-06-24
    • 国際学会
  • [学会発表] A Low-Power CMOS Magnetic Cell Manipulation Platform Using Charge Recycling Technique2015

    • 著者名/発表者名
      Kiichi Niitsu, Kohei Yoshida, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-06-22 – 2015-06-24
    • 国際学会
  • [学会発表] A 1.8V-Input-Range Voltage-to-Current Converter Using Source Degeneration for Low-Noise Multimodal CMOS Biosensor Array2015

    • 著者名/発表者名
      Keita Muto, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-06-22 – 2015-06-24
    • 国際学会
  • [学会発表] A Low-Voltage High-Resolution CMOS Electrophoresis Platform with 32×32 Sample/Hold Cell Array2015

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Yamaji, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-06-22 – 2015-06-24
    • 国際学会
  • [学会発表] Non-optical Frequency-Shift Based Testing of Electrode Formation Using LC-VCO for High-Reliability CMOS Biosensor Array2015

    • 著者名/発表者名
      Kiichi Niitsu and Kazuo Nakazato
    • 学会等名
      International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-06-22 – 2015-06-24
    • 国際学会
  • [備考] 中里研究室

    • URL

      URL:http://www.nuee.nagoya-u.ac.jp/labs/nakazatolab/

  • [備考] BioCMOS

    • URL

      URL:http://biocmos.com/

  • [産業財産権] 半導体集積回路2016

    • 発明者名
      中里和郎
    • 権利者名
      中里和郎
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2016/001212
    • 出願年月日
      2016-03-04
    • 外国
  • [産業財産権] 参照電極保持部材及び物質検出装置2016

    • 発明者名
      中里和郎
    • 権利者名
      中里和郎
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2016/56849
    • 出願年月日
      2016-03-04
    • 外国

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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