プラズモニクスを利用した超高感度オプティカルセンサの開発と遺伝子解析への展開

利用等离子体技术开发超灵敏光学传感器及其在遗传分析中的应用

• 批准号: 20J23726
• 负责人: 川崎 大輝
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022)Osaka Prefecture University (2020-2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23726/
• 关键词: プラズモニクス; ナノフォトニクス; バイオセンサ; 光センサ

本年度は、フォトニック結晶スラブ(PCS)金ナノ粒子(AuNP)ハイブリッドセンサによる極微量DNAメチル化解析の検討を行った。まず、これまでに検討を行ってきたハイブリッドセンサの局所増強場を利用した表面増強ラマン分光によるDNAメチル化解析を実施した。昨年度に構築したハイブリッドセンサに適応できるラマン分光系を利用して、極微量(~ 100分子)DNAのラマン検出を検討した。センサ構造とラマン分光系の改良を行いつつ、DNAのラマン検出を試みたが、検出・解析できる信号強度が得られなかった。これは、ラマン励起できる基板PCS表面積に対して、PCS上に担持されるAuNR表面積が非常に小さく、さらに、AuNR上に固定されるDNA分子数が少ないために、十分な信号対ノイズ比が得られないことに起因するものである。そこで、ラマン励起できる表面全域にDNA分子を固定できる代替案として、フォトニック結晶上に金薄膜を堆積させたプラズモニック結晶の利用を着想した。まず、ラマン分光に適応できるプラズモニック結晶構造を計算と実測により評価・決定した。続いて、これまでの研究と同様、非標識でのDNA検出能を評価し、1 nMのDNA検出を達成した。続いて、同様にラマン分光によるDNA検出を試みたところ、1μMのDNAのラマン信号を検出できた。さらに、DNAのメチル化・非メチル化の識別を達成した。今後は、プラズモニック結晶の構造最適化と適応できるラマン分光系の改良により、より低分子数のDNAメチル化の識別が期待できる。

今年，我们使用光子晶体平板（PCS）金纳米颗粒（AUNP）杂交传感器研究了超轨道DNA甲基化的分析。首先，使用表面增强的拉曼光谱进行了DNA甲基化分析，使用迄今为止已经研究的局部杂交传感器的局部增强场。我们使用拉曼光谱系统研究了拉曼检测到非常少量（〜100个分子）DNA的发现，该系统可以适应去年构建的混合传感器。尽管我们试图在改善传感器结构和拉曼光谱系统的同时检测拉曼DNA，但我们无法获得可以检测和分析的信号强度。这是因为相对于Raman可以激发的PCS底物的表面积非常小，并且在Aunr上固定在AUNR上的DNA分子的数量相对于PCS底物支撑的AuNR的表面积，无法获得足够的信号与噪声比率。因此，我们构思了血浆晶体的使用，其中将薄金膜沉积在光子晶体上，作为一种替代性，可以将DNA分子固定在可以激发拉曼的整个表面上。首先，通过计算和实际测量评估并确定可以适应拉曼光谱的等离激晶结构。接下来，与以前的研究一样，评估了无标记的DNA的能力，从而实现了1 nm DNA检测的能力。接下来，类似地，通过拉曼光谱法尝试了DNA检测，并检测到1μMDNA的拉曼信号。此外，还实现了DNA甲基化和非甲基化鉴定。将来，我们可以期望通过优化等离激子晶体的结构并改善可以适应的拉曼光谱系统，从而鉴定出具有较少分子的DNA甲基化。

项目成果

Au nanorods-TiO2 photonic crystal plasmonic-photonic hybrid sensor for label-free detection and identification of DNA molecules with single nucleotide polymorphisms

Au纳米棒-TiO2光子晶体等离子体-光子混合传感器，用于无标记检测和识别具有单核苷酸多态性的DNA分子

• DOI: 10.1016/j.snb.2022.131747
• 发表时间: 2022
• 期刊: Sensors and Actuators B: Chemical
• 作者: Kawasaki Daiki;Yamada Hirotaka;Sueyoshi Kenji;Hisamoto Hideaki;Endo Tatsuro
• 通讯作者: Endo Tatsuro

Wavelength-tunable dual-band edge plasmon mode based on gold edge-hole plasmonic nanostructure

• DOI: 10.1016/j.rinp.2022.105541
• 发表时间: 2022-04-27
• 期刊: RESULTS IN PHYSICS
• 影响因子: 5.3
• 作者: Yamada，Hirotaka;Kawasaki，Daiki;Endo，Tatsuro
• 通讯作者: Endo，Tatsuro

被検出物質の検出キット、検出システムおよび検出方法

分析物的检测试剂盒、检测系统和检测方法

• 发表时间: 2021

Fabrication and Characterization of YAG:Ce³⁺ Phosphor Powder-Contained Photonic Crystal for Optical Sensor

光学传感器用YAG:Ce³磷粉光子晶体的制备与表征

• DOI: 10.1541/ieejsmas.142.29
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines
• 作者: Ueda Shotaro;Kobayashi Nao;Kawasaki Daiki;Yamada Hirotaka;Sueyoshi Kenji;Hisamoto Hideaki;Endo Tatsuro
• 通讯作者: Endo Tatsuro

Quantum dots / TiO2 hybrid photonic crystal: Fabrication and application for highly sensitive and visible region-responsive biosensor

• DOI: 10.1016/j.mee.2022.111842
• 发表时间: 2022-07
• 期刊: Microelectronic Engineering
• 影响因子: 2.3
• 作者: Shotaro Ueda;Daiki Kawasaki;Ryosuke Nishitsuji;Hirotaka Yamada;K. Sueyoshi;H. Hisamoto;T. Endo