連続動作フォトニック結晶ナノレーザを利用した単一分子バイオセンシング

使用连续运行的光子晶体纳米激光器进行单分子生物传感

• 批准号: 09J10653
• 负责人: 北 翔太
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2009
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2009 至 2011
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J10653/
• 关键词: フォトニック結晶; ナノレーザ; バイオセンサー; 抗体センサー; 医療診断; フォトニックナノ構造; タンパク質

高度かつ多種多様な生化学分析,医療診断をマイクロ統合分析システム(μ-TAS)によって高スループット化・低コスト化する研究が盛んである.μ-TASは微小流路・ポンプ・ミキサー・バルブといった流体部品とセンサから構成される微小な分析装置であるが,集積されるセンサに要求される性能はラベルフリー・簡易・小型・高性能・高機能と多項目である.これらすべての要求を満たしうるセンサはこれまで実証されておらず,実用化が思うように進んでいないのが現状である.そこで本研究ではこれまで簡易・超小型・高感度・高分解能を満たすナノスロットナノレーザ(以下NSナノレーザ)によるラベルフリーバイオセンシング技術を研究してきた.特に医療診断応用に向けては不純物を多量に含む血中にある極微量の病原マーカを選択的かつ高感度に検出するための抗体センサの開発が急務となっている.たとえば,腫瘍マーカーの場合,pg/mlの感度と10億倍以上の選択比が必要とされる.この2つの機能を両立する医療診断用バイオセンサに関して次の4項目の研究を進めた.i. NSナノレーザによる超高感度タンパク質センシングの原理検証と利用法の提案ii. NSナノレーザアレイによる統計処理と検出精度向上iii. NSナノレーザによる抗原・抗体反応の超高感度検出iv. NSナノレーザによる不純物混合下における抗原・抗体反応の超高選択比検出iに関しては,極低濃度タンパク質溶液中でのナノレーザのリアルタイム応答を測定し,理論式とフィッティングすることでやはり通常の化学吸着では説明できない親和定数をもつ吸着反応によって波長シフトが生じていることが観測された.理論的検証とさらなる実験的検証を進めることで,NS内部に生ずる光勾配力によってタンパク質の吸着が促進されていることが示唆された.iiについては,NsナノレーザのNS幅の異なるナノレーザをアレイ集積化し,統計評価することで100fMから100μMの極めて広い濃度範囲に対してタンパク質濃度が定量できることを実証した.iiiについては抗原・抗体反応のモデルとしてビオチン・ストレプトアビジンの特異吸着反応を100zM未満の極めて低濃度での検出を実証した.現在本成果の原理を検証している最中である.ivはNSナノレーザをポリエチレングリコールの膜で覆い,さらに界面活性剤を用いて不純物の非特異吸着を抑制した.さらにiiの統計評価を実施することで1μMの牛血清アルブミン混合下における1aMのストレプトアビジンの検出(選択比1兆倍)を実証した.上記の研究成果に関して,招待論文1件を含む2件の論文発表,国際会議で1件のポスター発表,国内会議で3件発表した.

Highly か つ many many others な biochemistry analysis, medical diagnosis を マ イ ク ロ meta-analysis シ ス テ ム (mu - TAS) に よ っ て high ス ル ー プ ッ ト change, low コ ス ト change す る research が sheng ん で あ る. Mu, small flow - TAS は ポ ン プ · ミ キ サ ー · バ ル ブ と い っ た fluid component と セ ン サ か ら constitute さ れ る tiny な analysis device で あ る が, set product さ れ る セ ン サ に requirements さ れ る performance は ラ ベ ル フ リ ー, simple, small, high performance, high function と multi-project で あ る. こ れ ら す べ て の requirements を against た し う る セ ン サ は こ れ ま で card be さ れ て お ら ず, be with the が think う よ う に into ん で い な い の が status quo で あ る. そ こ で this study で は こ れ ま で simple subminiature , Gao Gan degrees, high decomposition can を against た す ナ ノ ス ロ ッ ト ナ ノ レ ー ザ (hereinafter NS ナ ノ レ ー ザ) に よ る ラ ベ ル フ リ ー バ イ オ セ ン シ ン グ technology を し て き た. Special に medical diagnosis 応 use に け て は impurity content を に contain abundant む blood に あ る trace amounts の pathogenic マ ー カ を sentaku of か つ Gao Gan degrees に 検 out す る た め の antibody セ ン サ の open 発 が because と な っ て い る. た と え ば, swollen sores マ ー カ ー の occasions, pg/ml の sensitivity と 1 billion times more の sentaku than が necessary と さ れ る. こ の 2 つ の function を struck made す る medical diagnosis with バ イ オ セ ン サ に masato し て の 4 project を の research into め た. I. NS ナ ノ レ ー ザ に よ る ultrahigh sensitivity タ ン パ ク qualitative セ ン シ ン グ の principle 検 card と using proposed method の ii. NS ナ ノ レ ー ザ ア レ イ に よ る statistical 処 Richard と 検 out upward iii precision. NS ナ ノ レ ー ザ に よ る antigens, antibodies against 応 の ultrahigh sensitivity 検 iv. NS ナ ノ レ ー ザ に よ る impurity content under the mixed に お け る antigens, antibodies against 応 の ultra-high sentaku than I 検 に masato し て は, extremely low concentration タ ン パ ク qualitative solution で の ナ ノ レ ー ザ の リ ア ル タ イ ム 応 answer を し, theory type と フ ィ ッ テ ィ ン グ す る こ と で や は り usually の chemical sorption で は illustrate で き な い affinity constant を も つ sorption 応 Youdaoplaceholder0 wavelength シフトが generate じて る る とが観 とが観 measure された. Theory 検 pass と さ ら な る be 験 検 pass を into め る こ と で, NS ず at the inside of the に る hook with light force に よ っ て タ ン パ ク qualitative の sorption が promote さ れ て い る こ と が in stopping さ れ た. Ii に つ い て は, NS ナ ノ レ ー ザ の NS の different picture な る ナ ノ レ ー ザ を ア レ イ set product し, statistical evaluation of 価 す る こ と で 100 FM か ら 100 Fei mu M の extremely め て hiroo い concentration 囲 に し seaborne て タ ン パ ク mass concentration が quantitative で き る こ と を card be し た. Iii に つ い て は antigens, antibodies against 応 の モ デ ル と し て ビ オ チ ン · ス ト レ プ ト ア ビ ジ ン の specific sorption anti 応 を 100 zm not against の extremely め て low concentration で の 検 out を card be し た. Now this achievement の principle を 検 card し て い る in most で あ る. Iv は NS ナ ノ レ ー ザ を ポ リ エ チ レ ン グ リ コ ー ル の membrane で い, さ ら に interface active tonic を い て impurity content の nonspecific sorption を inhibit し た. さ ら に ii の statistical review 価 を be applied す る こ と で 1 mu M の bovine serum ア ル ブ ミ ン under mixed に お け る 1 am の ス ト レ Youdaoplaceholder0 検 検 検 (select 択 at a ratio of 1 trillion times)を real evidence た. Written の research に masato し て, entertain a dissertation contains 1 piece を 2 む の 発 table, the international conference on で 1 piece の ポ ス タ ー 発 table, three pieces of domestic conference で 発 table し た.

项目成果

研究室ホームページ

实验室主页

Nano-slit photonic crystal nanolaser with mode localization in air

空气中模式定位的纳米缝光子晶体纳米激光器

• 发表时间: 2010
• 作者: S.Kita;S.Hachuda;T.Baba
• 通讯作者: T.Baba

Trapping of protein in nanoslot nanolaser sensor

纳米槽纳米激光传感器中蛋白质的捕获

• 发表时间: 2011
• 作者: 松成ひとみ;横尾隆;松本啓;他10名;北翔太;S.Kita
• 通讯作者: S.Kita

ナノスロット構造フォトニック結晶ナノレーザの構造最適化による発振特性の向上

纳米槽结构光子晶体纳米激光器结构优化改善振荡特性

• 发表时间: 2010
• 作者: 北翔太;大塚翔太;馬場俊彦
• 通讯作者: 馬場俊彦

ナノスロットフォトニック結晶ナノレーザにおける光勾配力の考察(II)-タンパク質吸着・脱離の観測

纳米槽光子晶体纳米激光器中光梯度力的思考（二）——蛋白质吸附与解吸的观察

• 发表时间: 2012
• 作者: 松成ひとみ;横尾隆;松本啓;他10名;北翔太
• 通讯作者: 北翔太