屈折率・電荷同時検出ナノレーザセンサの開発と精神神経疾患バイオマーカ検出

开发同时检测折射率和电荷的纳米激光传感器以及神经精神疾病生物标志物的检测

• 批准号: 17J11405
• 负责人: 渡邊 敬介
• 金额: $ 0.13万
• 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: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J11405/
• 关键词: フォトニック結晶; GaInAsP; 表面電荷; バイオセンサ; バイオマーカ; ラベルフリー; ナノレーザ

本研究ではGaInAsP半導体の発光が表面電荷に応答する原理に基づき、蛍光や酵素などのラベルが不要で、スペクトル分析も不要な簡易なバイオセンサを提案、実証した。前年度は、GaInAsPナノレーザを用いて、精神神経疾患のバイオマーカとして期待されるCRMP2 (Collapsin Response Mediator Protein 2) の検出を検討し、実際の医療診断で求められる濃度と同程度の検出限界濃度での検出を達成した。本年度は、さらなる高感度化と信号対雑音比の向上を目指し、GaInAsP半導体のフォトニック結晶構造に工夫を加えることによる、イオン感応性の増大の理論の構築と高性能化を図った。まず、半導体に蜂の巣構造型フォトニック結晶構造を導入し、より大きな表面積体積比と光の取り出しが得られる構造を時間領域差分法によって予測した。その結果、蜂の巣構造の1つの円孔を6つの小円孔で置換した構造が有望であることが予想された。これは、表面電荷の応答性の由来である表面再結合の変化により生じる発光強度の変化を最大化できるためである。実際にこの構造を製作し、表面電荷への応答性に対応する、溶液のpHを変えたときのシグナル変化を測定した。フォトルミネッセンス、レーザ発振光のいずれの場合においても、pH感度はフォトニック結晶パターンのない場合と比べて増大し、前者の条件において、実用上の目標値であるpH分解能0.01を達成した。レーザ発振時においては、弱励起動作で約41倍の感度増大、強励起条件では最大で約5倍の信号対雑音比の増大を確認した。以上の結果から、GaInAsP半導体のフォトニック結晶構造に工夫を加えることによる高性能化を実証し、医療診断、化学分析などの幅広い応用に有望であることを示した。

This study で は GaInAsP semiconductor の 発 light が surface charge に 応 answer す る principle に base づ き 蛍 や light and enzyme な ど の ラ ベ ル が don't で, ス ペ ク ト ル analysis も don't な simple な バ イ オ セ ン サ を proposal, be し た. In the previous year, ナノレ, GaInAsPナノレ, ナノレ, ザを used ナノレ て, mental and psychological disorders, <s:1> バ, <s:1>, カと, て, て expected されるCRMP2 (Collapsin Response Mediator Protein 2). Beg し の 検 out を 検, be interstate の medical diagnostic め で o ら れ と る concentration degree with の 検 out threshold concentration で の 検 out を reached し た. This year は, さ ら な る Gao Gan degree melts と 雑 seaborne sound signal than の upward を refers し, GaInAsP semiconductor の フ ォ ト ニ ッ ク crystal structure に time を plus え る こ と に よ る, イ オ ン feeling の raised 応 sex の の theory to construct と high-performance を 図 っ た. ま ず, semiconductor に bee の 巣 stereotype フ ォ ト ニ ッ ク crystal structure を import し, よ り big き な surface area volume ratio と light の り take out し が have ら れ る tectonic を time domain difference method に よ っ て in measuring し た. The そ そ result, the structure of the wasp nest, the structure of the 1 <s:1> <s:1> hole を, the 6 を hole of the small hole で, the replacement of the <s:1> た structure が, is expected to である である とが and された be imagined された. こ れ は, surface charge の 応 a sexual の origin で あ る surface recombination の variations change に よ り raw じ る 発 light intensity の - the maximize を で き る た め で あ る. Be interstate に こ の tectonic を し making, surface charge へ の 応 a sexual に 応 seaborne す の る, solution pH を - え た と き の シ グ ナ ル variations change を determination し た. フ ォ ト ル ミ ネ ッ セ ン ス, レ ー ザ 発 resonance light の い ず れ の occasions に お い て も, pH sensitivity は フ ォ ト ニ ッ ク crystallization パ タ ー ン の な と い occasion than べ て raised large し conditions, the former の に お い て の target, be used numerical で あ る pH 0.01 を decomposition can achieve し た. レ ー ザ 発 vibration when に お い て は, weak excitation action で about 41 times の sensitivity raised large, strong excitation conditions で は biggest で の 雑 seaborne sound signal about 5 times bigger than の raised を confirm し た. の above results か ら, GaInAsP semiconductor の フ ォ ト ニ ッ ク crystal structure に time を plus え る こ と に よ る high-performance を be card し, medical diagnosis, chemical analysis な ど の picture hiroo い 応 with に is expected to be で あ る こ と を shown し た.

项目成果

Ion-sensitive nanolaser for spectral-analysis-free biosensing

用于免光谱分析生物传感的离子敏感纳米激光器

• 发表时间: 2017
• 作者: K. Watanabe;Y. Nishijima and T;Baba
• 通讯作者: Baba

GaInAsP photonic crystal bandedge laser with high ion sensitivity

具有高离子灵敏度的 GaInAsP 光子晶体带边激光器

• 发表时间: 2018
• 作者: Y. J. Li;H. F. Wen;Z. M. Ma;L. Kou;Y;Naitoh;and Y. Sugawara;K. Watanabe
• 通讯作者: K. Watanabe

GaInAsP半導体フォトニック結晶スラブにおけるPL増大とイオン感応型バイオセンサ応用

GaInAsP半导体光子晶体板和离子敏感生物传感器应用的PL增加

• 发表时间: 2018
• 作者: 渡邊敬介;馬場俊彦
• 通讯作者: 馬場俊彦

イオン感応ナノレーザによるラベル・スペクトル分不要精神神経疾患バイオマーカ検出

使用离子敏感纳米激光检测神经精神疾病生物标志物，无需标签或光谱

• 发表时间: 2017
• 作者: 渡邊敬介;野本宗孝;中村史雄;五嶋良郎;馬場俊彦
• 通讯作者: 馬場俊彦

GaInAsP半導体のイオン感応性を利用したバイオセンシング・イメージング

利用 GaInAsP 半导体的离子敏感性进行生物传感和成像

• 发表时间: 2017
• 作者: 渡邊敬介;野本宗孝;景山達斗;中村史雄;福田淳二;五嶋良郎;馬場俊彦
• 通讯作者: 馬場俊彦