磁性ナノ粒子－生体分子間相互作用による磁気緩和の変調と高感度バイオセンシング

通过磁性纳米颗粒-生物分子相互作用调节磁弛豫和高灵敏度生物传感

基本信息

批准号：
21H01760
负责人：
北本仁孝
金额：
$ 10.98万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

核酸、タンパク質、糖鎖等の生体高分子を標的として相互作用できるように表面機能化を行った酸化鉄ナノ粒子と各種生体高分子との相互作用を、交流磁場下での磁気緩和により評価する研究を遂行した。その中で、磁性ナノ粒子の表面機能化を行った磁性粒子ラベルの作製、交流磁化計測装置開発、データ科学的手法を用いた交流磁化の周波数スペクトル解析を行った。前年度より行っている22塩基の単鎖DNAの検出においては、DNAのハイブリダイゼーションが効率的かつ特異的に起こる溶液条件の探索を入念に行った。その結果、溶液中の塩濃度によって、その効率と特異性が変化し、塩濃度の調整がセンシングにとって重要であることを見出した。具体的には塩濃度が増加するとハイブリダイゼーションの効率は上がるが、特異性が低下した。つまり、1塩基違いのDNAを見分けるには塩濃度を適切な濃度まで低下させることが必要であることがわかった。また、これまでにセンシングを行っていた反応溶液は主に水を用いていたが、ハイブリダイゼーションの効率の点から、特異性が失われない程度に塩濃度を高めた溶液中での磁性粒子ラベルの分散安定性向上が新たな課題となった。交流磁化計測装置開発においては、生体分子と磁性ナノ粒子プローブとの間の複雑かつ不均一な生化学反応を交流磁化状態から計測するために、低周波数領域での精密な計測が必要であることから、従来の周波数特性分析器に代わり、より高い信号対雑音比の得られるロックインアンプを導入した。その結果、低周波数領域では10Hzまでしか計測できなかったものが、4Hzまで計測できるようになった。それに伴い、低周波数側でスペクトルをより広く計測できることとなった。交流磁化の周波数スペクトル解析においては、他の分野でも行われている緩和時間分布解析の手法を取り入れ、より高い分解能でタンパク質濃度測定ができる可能性を示した。

研究评估了各种生物聚合物和氧化铁纳米颗粒之间的相互作用，这些纳米颗粒的表面已被功能化，可通过交变磁场下的磁弛豫来靶向生物聚合物（例如核酸、蛋白质和糖链）并与之相互作用。其中，我们通过对磁性纳米粒子表面进行功能化来创建磁性粒子标签，开发了交流磁化强度测量装置，并利用数据科学方法分析了交流磁化强度的频谱。在我们从去年开始进行的22碱基单链DNA检测中，我们仔细寻找了能够高效、特异地进行DNA杂交的溶液条件。结果，我们发现溶液的效率和特异性根据溶液中的盐浓度而变化，并且调整盐浓度对于传感很重要。具体来说，随着盐浓度的增加，杂交效率增加，但特异性降低。换句话说，发现为了区分具有单个碱基差异的DNA，需要将盐浓度降低到适当的水平。另外，迄今为止用于传感的反应溶液主要使用水，但从杂交效率的角度来看，磁性颗粒标记可以在高盐浓度的溶液中进行标记，从而提高分散性。稳定性成为新的挑战。在交流磁化测量装置的开发中，需要在低频区域进行精确测量，以便从交流磁化状态测量生物分子和磁性纳米粒子探针之间复杂且异质的生化反应，因此，代替传统的频率特性分析仪。我们引入了锁相放大器，可以获得更高的信噪比。因此，在低频范围内，以前只能测量到 10Hz 的频率现在可以测量到 4Hz。结果，可以测量低频侧更宽的频谱。在交流磁化的频谱分析中，我们结合了其他领域使用的弛豫时间分布分析方法，证明了以更高分辨率测量蛋白质浓度的可能性。