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

基本信息

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

项目摘要

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.

人们正在积极研究使用微型集成分析系统（μ-TAS）来提高先进和多样化的生化分析和医学诊断的通量并降低成本。微型集成分析系统是由流体部件和传感器组成的微小组件。然而，集成传感器所要求的性能是无标签、简单、紧凑、高性能和高功能。迄今为止，还没有能够满足所有这些要求的传感器被证明，目前的情况是实际应用没有进展。正如预期的那样。因此，本研究我们一直在研究使用纳米槽纳米激光（NS nanolaser）的无标记生物传感技术，该技术简单、超紧凑、高灵敏度、高分辨率。特别是针对医疗诊断应用，我们一直在研究无标记生物传感技术，简单、超紧凑、高灵敏度，并具有高分辨率选择性检测微量致病标记。迫切需要开发高灵敏度检测的抗体传感器，例如，在肿瘤标志物方面，需要pg/ml的灵敏度和10亿倍以上的选择性，我们对以下四种进行了研究。有关用于医疗诊断的兼容生物传感器的项目。 NS 纳米激光超灵敏蛋白质传感原理验证及使用建议 ii. NS 纳米激光阵列的统计处理和检测精度的提高 iii. NS 纳米激光超灵敏检测抗原/抗体反应 iv．针对使用NS纳米激光器对混合杂质存在下的抗原抗体反应进行超高选择性检测，我们测量了纳米激光器在极低浓度蛋白质溶液中的实时响应，并拟合了理论公式，证实了普通的化学吸附是不可能的。据观察，波长移动是由具有无法解释的亲和常数的吸附反应引起的。通过理论验证和进一步的实验验证，表明NS内部产生的光学梯度力促进了蛋白质的吸附。关于ii，我们通过集成阵列并进行统计研究了使用不同NS宽度的Ns纳米激光器的效果。评估时，可以在 100 fM 至 100 μM 的极宽浓度范围内检测蛋白质。关于iii，我们展示了在低于100zM的极低浓度下检测生物素和链霉亲和素的特异性吸附反应作为抗原抗体反应的模型。目前，我们正在用NS纳米激光验证这一结果的原理。聚乙二醇薄膜，然后涂上表面活性剂。用于抑制杂质的非特异性吸附。此外，通过在步骤II中进行统计评估，我们证明了在1μM牛血清白蛋白混合物中检测到1aM链霉亲和素（选择性比1万亿倍）。上述研究关于我的结果，我发表了两篇论文，其中一篇是特邀论文，一篇是在国际会议上的海报展示，三篇是在国内会议上的展示。