Development of ultrahigh-sensitive silicon nanowire biosensor for simultaneous detection of various biomolecules in a single drop of body fluid

开发超高灵敏度硅纳米线生物传感器，可同时检测单滴体液中的多种生物分子

基本信息

批准号：
20K21879
负责人：
曾根逸人
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Gunma University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-07-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、電子線リソグラフィによりシリコンナノワイヤ（SiNW）素子を作製し、夾雑物のフィルタリング、多種類生体物質を各々特異的に結合できる表面修飾法を確立して、体液1滴に含まれる多種類の生体物質を同時検出可能なバイオセンサの創製を目指す。令和4年度は、コロナ禍がある程度収束したため、東京大学の共同利用設備も使用した研究を推進して、以下の成果を得た。(1) SiNWバイオセンサ高感度化に向けたNW細線化の研究：SiNWバイオセンサの高感度化にはNWの細線化が有効だが、従来作製したSiNWの最小線幅は約20 nmであった。そこで、電子線描画条件や高密度プラズマエッチングの条件を最適化して、NWの細線化を試みた。その結果、幅約11 nmのSiNWが形成でき、卵白アルブミンと抗卵白アルブミングロブリンG（IgG）の特異的結合の測定から、濃度6 aM（10^-18 mol/L）の超低濃度IgGの検出に成功した。さらに、幅が異なるSiNWを用いた同様の測定から、IgG付着によるSiNW内部に形成された空乏領域の厚さを求めることができた。(2) 多種生体分子同時検出のためのSiNWバイオセンサチップの作製：令和3年度に引き続き、1チップ上に4つのSiNWセンサが配置されたセンサチップの作製を進めた。SOI基板上にTi電極をフォトリソグラフィで形成後、電子線描画で電極間に架橋するHSQレジストNWを形成した。その際、SOI基板上の離れた位置に複数のSiNWセンサを形成するには、電子線描画における露光位置、焦点、露光量等の調整が困難で、長時間を要する。そこで、重ね露光機能を用いた自動アライメント露光を試したが、NW幅のバラつきや電極に対する位置ずれが生じた。この改善を試みていたところ、HSQレジストの生産終了、電子線描画装置の電源故障が生じたため、その解決に時間を要してしまった。

在这项研究中，我们旨在使用电子束光刻制造硅纳米线（SINW）设备，建立一种表面修饰方法，该方法允许彼此之间特定结合各种生物学物质，并创建一个可以同时检测到一种体液中包含的各种生物学物质的生物传感器。在2022年，由于冠状病毒大流行在一定程度上消退，我们使用东京大学的联合使用设施促进了研究，从而取得了以下结果。（1）对SINW生物传感器的NW稀疏电线的研究以提高灵敏度：NW的稀疏电线可有效提高对SINW生物传感器的敏感性，但SINW构造的最小线宽度约为20 nm。因此，我们试图优化电子束图条件和高密度等离子体蚀刻条件，以使NW稀薄。结果，形成了约11 nm宽的SINW，并通过测量卵巢蛋白和抗雌激素蛋白G（IgG）的特异性结合，成功地检测了6 AM（10^-18 mol/L）的超低浓度IgG（10^-18 mol/L）。此外，从使用具有不同宽度的SINW的类似测量值中，获得了由于IgG沉积而形成的SINW内部耗竭区域的厚度。（2）制备SINW生物传感器芯片，以同时检测多种生物分子：在2021财政年度，我们继续制备将四个SINW传感器放在一个芯片上的传感器芯片。通过光刻在SOI底物上形成Ti电极后，形成了HSQ抵抗NW通过电子束图在电极之间交联的NW。在这种情况下，在SOI底物上的距离上形成多个SINW传感器，因此很难在电子束图中调整曝光位置，焦点，曝光量等，并且需要很长时间。因此，我们尝试使用重叠的暴露函数自动对齐暴露，但是NW宽度和相对于电极的未对准存在变化。尽管试图改善这一点，但停用了HSQ抗性的产生，电子束写作设备的电源出现故障，并且花了一些时间来解决问题。

项目成果

期刊论文数量（8）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

電子線描画法によるp型およびn型SiNWの作製とFET特性評価

通过电子束光刻技术制造 p 型和 n 型 SiNW 并评估 FET 特性

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Fast fabrication of tendon-like collagen tissue via mechanically enhanced fiber alignment and cross-linking;板橋芽比子，邱亜威，大澤郁弥，大嶋紀安，和泉孝志，張慧，曾根逸人
通讯作者：
板橋芽比子，邱亜威，大澤郁弥，大嶋紀安，和泉孝志，張慧，曾根逸人

曾根研究室研究内容

曾根实验室研究内容

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Siナノワイヤバイオセンサの細線化による生体分子の高感度・特異的検出の実現

细化硅纳米线生物传感器实现生物分子高灵敏、特异检测

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
張慧;邱亜威;板橋芽比子，大澤郁弥，大嶋紀安，坂田利弥，和泉孝志，加治佐平，曾根逸人
通讯作者：
板橋芽比子，大澤郁弥，大嶋紀安，坂田利弥，和泉孝志，加治佐平，曾根逸人

Investigation of Thinning Effect on Sensitivity of Silicon Nanowire Biosensor for Ultra-Sensitive and Specific Biomolecule Detection

用于超灵敏和特异性生物分子检测的硅纳米线生物传感器的灵敏度减薄效应研究

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Hui Zhang;Yawei Qiu;Fumiya Osawa;Meiko Itabashi;Noriyasu Ohshima;Taira Kajisa;Toshiya Sakata;Takashi Izumi and Hayato Sone
通讯作者：
Takashi Izumi and Hayato Sone

ナノ加工技術で高感度バイオセンサを創製

使用纳米处理技术创建高灵敏度生物传感器