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.

使用微型综合分析系统（μ-TAS），研究正在增长高吞吐量和低成本。 μ-TAS是由流体成分组成的微型分析仪，例如微流通道，泵，搅拌机，阀门和传感器，但是集成传感器所需的性能是无标签，简单，紧凑，高性能和高功能。到目前为止，尚无能够满足所有这些要求的传感器，并且实际应用并未按预期进行。因此，这项研究目前已经进行。迄今为止，我们一直在使用纳米斜局（NS纳米剂）研究无标签的生物传感技术，这些技术满足了简单，超紧凑，高灵敏度和高分辨率的满足。特别是，对于医学诊断应用，迫切需要在含有大量杂质的血液中选择性和高度敏感的病原体标记物的抗体传感器的发展。例如，在肿瘤标记的情况下，需要PG/mL的灵敏度和超过10亿次的选择比。我们已经对以下四个项目进行了研究，涉及结合这两个功能的医学诊断的生物传感器：i。验证使用NS纳米剂II使用超高敏感蛋白传感的原理和建议。使用NS Nanolaser阵列III的统计处理和提高检测准确性。使用NS纳米剂IV对抗原/抗体反应的超高敏感检测。关于在杂质混合与NS纳米层的抗原抗体反应的超高选择性检测，观察到，由于与亲和力常数的吸附反应无法通过在极低浓度蛋白质中的纳米溶液中与纳米溶液的实时反应和融合在Theoratient anterigentic anterigation antrientation antrigation等方程中无法通过正常化学的吸附反应引起的波长转移。理论和进一步的实验验证表明，NS内部产生的光梯度促进了蛋白质的吸附。对于II，通过将具有不同NS纳米剂NS宽度的纳米层整合，从统计学上评估，蛋白质的诱导在100 fm至100μm的极宽浓度范围内。我们证明可以量化质量浓度。对于III，我们证明了以低于100 ZM的极低浓度作为抗原/抗体反应的模型的生物素/链霉亲和蛋白链霉素的特定吸附反应的检测。我们目前正在验证这一发现的原理。IV覆盖了NS纳米剂的聚乙烯甘油膜，然后使用表面活性剂抑制非特异性杂质吸附。此外，通过对II进行统计评估，我们证明了在1μm牛血清白蛋白混合下的链霉亲和素（1万亿倍选择比）的检测。关于上述研究结果，两篇论文，包括一篇受邀论文，一份在国际会议上的海报演讲，以及在国内会议上进行的两篇论文。