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2014 年度 実施状況報告書

オンチップ質量分析器の開発

研究課題

研究課題/領域番号 26600059
研究機関北陸先端科学技術大学院大学

研究代表者

高村 禅  北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 教授 (20290877)

研究分担者 浮田 芳昭  山梨大学, 総合研究部, 助教 (40578100)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード質量分析 / BioMEMS / 微量分析 / 熱パルスイオン化 / 血液分析 / MALDI / time of flight
研究実績の概要

ELISA等従来の臨床検査技術では測定が困難な極微量濃度域の生体マーカーを臨床的に分析するために、原理的に高感度・高解像度な質量分析法を、チップ上に実現することを目的としている。本年度の研究で得られた成果を以下にまとめる。
微小ヒーターを用いた熱パルスによるイオン生成の高効率化について
これまでに研究代表者らは微小イオン源を作製し、チップ上で熱パルスのみで、たんぱく質等の生体分子がイオン化できることを証明している。しかし、イオン化効率に関するデータは全くなかった。特にマトリックス材料は、従来のMALDI法とイオン化原理が異なるため、全く異なるものが適していると考えられる。平成26年度は、まず、イオン化の効率を、定量的に議論できる環境を整え、種々のマトリックス材量を用い、またその塗布方法や、熱パルスの印加方法が、イオン化にどのような影響を与えるかを調べることとした。
その結果、まず第1に、試料とマトリックスの、微小ヒータ面への塗布の仕方が、重要であり、特に、まずマトリックのみを塗布し、そのあと、試料とマトリックスを混合したものを塗布する、2層構造を用い、さらに全体の厚みを1μ程度に抑えることで、飛躍的に良い結果が得られることが分った。弟2に、マトリックス材量としては、比較的揮発性が高い材料が良いことが分った。特に、2,5-ジヒドロキシアセトフェノンを用い、牛血清アルブミンを分析したところ、多価イオンや、フラグメントイオンが非常に少なく、1価のイオンが多い、良質のマススペクトルが得られることが分った。従来のMALDI(ruker社のultrafleXtremeを使用)と、同じ試料を用いて比較したところ、熱パルスイオン化の方が試料をよりソフトに、かつ効率的にイオン化できていることが示唆された。

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

平成26年度の研究項目は、熱パルスイオン化の効率に及ぼす因子の抽出と、効率化であるが、薄膜化が本質的に重要であることがわかり、従来のレーザを用いたMALDI法と比較しても、熱パルスイオン化が1~2ケタ高いイオン化効率を示すデータが得られたことは、全く予期していなかった進展であり、特筆すべきことである。 以上より、当初の計画以上の進展があったと判断する。

今後の研究の推進方策

熱パルスイオン化のイオン化率に影響するファクタをより詳しく調べ、イオン化メカニズムに関する知見を得るとともに、計画通り、チップ内に集積化可能なイオン検出機の基礎検討を行う。

次年度使用額が生じた理由

平成26年度は、熱パルスイオン化について、予想をはるかに上回る大きなイオン化効率が得られることを示すデータが得られた。これは従来のMALDI法に比べても大きい。よって、計画を変更し、この現象について、早期に詳細に調べ、権利化を行うこととした。このため、オンチップのディテクタ開発については平成27年度に行うことにしたため、その分の基板材料や試薬の購入を見送り、未使用額が生じた。

次年度使用額の使用計画

平成26年度、予想外に大きなイオン化効率がわかった、熱パルスイオン化について、その詳細や、メカニズムに関する研究を急遽追加する。また、平成26年度にできなかった、オンチップのディテクタ開発に関する研究項目を実行するための、基板材料費や試薬代に充てる。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち招待講演 3件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Pulse-heating ionization for protein on-chip mass spectrometry2014

    • 著者名/発表者名
      Kiyotaka Sugiyama, Hiroki Harako, Yoshiaki Ukita, Tatsuya Shimoda, Yuzuru Takamura
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 86 ページ: 7593-7597

    • DOI

      10.1021/ac501407c

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] アクチュエータを組み込んだ微小流体デバイスによる生体材料の高感度分析2015

    • 著者名/発表者名
      高村禅
    • 学会等名
      バイオチップコンソーシアムJMAC第76回ワーキンググループ会議特別講演
    • 発表場所
      東京ウィメンズプラザ(表参道) (東京都、渋谷区)
    • 年月日
      2015-03-30 – 2015-03-30
    • 招待講演
  • [学会発表] オンチップ質量分析に向けた熱パルスイオン化法と試料膜形成法2015

    • 著者名/発表者名
      杉山 清隆、高村 禅
    • 学会等名
      2015年第62回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東海大学 (神奈川県、平塚市)
    • 年月日
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [学会発表] Biomedical Application of Microfluidic Devices2014

    • 著者名/発表者名
      Yuzuru Takamura
    • 学会等名
      The 1st Malaysia-Japan Joint Symposium on Nanotechnology 2014
    • 発表場所
      Universiti Kebangsaan Malaysia, Malaysia
    • 年月日
      2014-12-09 – 2014-12-10
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of miniaturized ionization source for protein mass spectrometry on a chip2014

    • 著者名/発表者名
      Kiyotaka Sugiyama, Hiroki Harako, Yoshiaki Ukita, Yuzuru Takamura
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2014)
    • 発表場所
      San Antonio, USA
    • 年月日
      2014-10-26 – 2014-10-30
  • [学会発表] オンチップ質量分析に向けた熱パルスイオン源とマトリックスの効果2014

    • 著者名/発表者名
      杉山清隆、高村禅
    • 学会等名
      第75回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      北海道大学 (北海道、札幌市)
    • 年月日
      2014-09-17 – 2014-09-20
  • [学会発表] 生体試料の高感度分析を目指した質量分析チップの開発に向けた微小イオン源2014

    • 著者名/発表者名
      杉山 清隆、高村 禅
    • 学会等名
      第8回バイオ関連化学シンポジウム
    • 発表場所
      岡山大学 (岡山県、岡山市)
    • 年月日
      2014-09-11 – 2014-09-13
  • [学会発表] SMBG的使用が可能な医療用高感度イムノアッセイチップの開発2014

    • 著者名/発表者名
      高村 禅
    • 学会等名
      JIEP最先端実装技術シンポジウム
    • 発表場所
      東京ビッグサイト(東京都、江東区)
    • 年月日
      2014-06-04 – 2014-06-06
    • 招待講演
  • [備考] 高村研究室 ホームページ

    • URL

      http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/takamura/index.html

  • [産業財産権] 瞬間加熱によるイオン化装置、質量分析計、質量分析システム及びイオン化方法2015

    • 発明者名
      杉山清隆、高村禅
    • 権利者名
      北陸先端科学技術大学院大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2015-039745
    • 出願年月日
      2015-03-02

URL: 

公開日: 2016-05-27  

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