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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K21879/
• 关键词: シリコンナノワイヤ; バイオセンサ; 超高感度検出; 検査・診断システム; 医用システム

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。

This study で は, electronic line リ ソ グ ラ フ ィ に よ り シ リ コ ン ナ ノ ワ イ ヤ (SiNW) element system し を son, clip 雑 の フ ィ ル タ リ ン グ, variety raw material を 々 each specific に combining で き る を surface modification method to establish し て, 1 drop of fluid contains に ま れ る variety の body raw material を may simultaneously 検 な バ イ オ セ ン サ の created を refers す . And four year は, コ ロ ナ disaster が あ る degree 収 beam し た た め, Tokyo university も の use common equipment used し を た research advance し て, the following の を た. (1) the SiNW バ イ オ セ ン サ Gao Gan degree melts to け に た NW thread の research: SiNW バ イ オ セ ン サ の Gao Gan degree melts に は NW の thread change が have sharper だ が, 従 for し た SiNW の minimum line width about 20 nm は で あ っ た. そ こ で や, electronic line drawing conditions high-density プ ラ ズ マ エ ッ チ ン グ を の conditions optimization し て, の NW thread を try み た. そ の results, about 11 nm の SiNW が form で き, albumen ア ル ブ ミ ン と resistance albumen ア ル ブ ミ ン グ ロ ブ リ ン G (IgG) の specific combination with the determination of the の か ら, concentration of 6 aM (10 ^ - 18 mol/L) の ultra-low concentration IgG の 検 に successful し た. さ ら に, picture が different な る SiNW を with い た with others in determination of の か ら, IgG pay the に よ る SiNW internal に form さ れ た の empty field thick さ を o め る こ と が で き た. (2) a variety of living body molecules simultaneously 検 の た め の SiNW バ イ オ セ ン サ チ ッ プ の cropping: make and 3 year に lead き 続 き, 1 チ ッ プ に 4 つ の SiNW セ ン サ が configuration さ れ た セ ン サ チ ッ プ を into the の cropping め た. SOI substrate に Ti electrodes を フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィ で, electronic line after the formation of painted で す に bridging between electrode る HSQ レ ジ ス ト NW を form し た. そ の interstate, SOI substrate の from れ た position に plural の SiNW セ ン サ を form す る に は, electronic line painted に お け る dew light position, focus, and the dew light の adjustment difficulty が で, long を す る. そ こ で, heavy ね dew light function を い た automatic ア ラ イ メ ン ト dew light を try し た が, NW の バ ラ つ き や electrode に す seaborne る position ず れ が raw じ た. こ の try improve を み て い た と こ ろ, HSQ レ ジ ス ト の production end device, electronic line painted の power failure が raw じ た た め, そ の を to solve に time し て し ま っ た.

项目成果

曾根研究室研究内容

曾根实验室研究内容

高感度Siナノワイヤバイオセンサ作製のための最適なドーピング濃度の探求

寻找制造高灵敏度硅纳米线生物传感器的最佳掺杂浓度

• 发表时间: 2021
• 作者: 新井 出海;邱 亜威;板橋 芽比子;大澤 郁弥;大嶋 紀安;和泉 孝志;張 慧;曾根 逸人
• 通讯作者: 曾根 逸人

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

• 发表时间: 2022
• 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

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

• 发表时间: 2022
• 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

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

• 发表时间: 2022
• 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