Development of a method for single-molecule chemical processing utilizing ultra-small droplets in nanospace and application to cytokine analysis

开发利用纳米空间超小液滴的单分子化学处理方法及其在细胞因子分析中的应用

基本信息

批准号：
21K18161
负责人：
嘉副裕
金额：
$ 16.47万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18161/
关键词：
ナノ流体工学ナノ流路液滴 1分子

项目摘要

ナノ空間の流体工学の進展により、化学分析の可算個分子レベルへの超微量化が実現しつつある。しかし、試料分子数が限定されても、空間の微小化の単なる延長では流体工学の極限である分子1個の輸送・化学処理とこれにより初めて実現する1分子分析には到達できない。本研究では、独自技術によりナノ流路で極小液滴を生成して、統計力学の原理により液滴中に試料分子1個を閉じ込め個数の単位で配列・輸送、更に液滴の合一により1分子を衝突・反応させる方法論とこれを用いた分析法を創成し、病変部の表皮角化細胞、涙液、汗などに含まれるサイトカイン分析に応用することを目的とする。研究項目A）液滴連続生成・輸送・合一のためのナノ流体デバイスの開発、研究項目B）液滴を利用した1分子配列、輸送、反応操作の検証、研究項目C）1分子分析の検証に取り組む。2022年度は、2021年度に引き続き、研究項目A、Bに取り組んだ。2021年度に開発したT字型ナノ流路による微小液滴の連続生成法を更に発展させ、体積aLの液滴生成に成功した。流路幅を局所的に小さくすることで液滴生成に必要な流体のせん断力を増大させる設計を提案、検討し、体積900aLの液滴生成を検証した。これを用いて、濃度10 pMオーダの1粒子輸送および1分子輸送を実証した。これは、診断における血清・細胞内の目的タンパク分子の濃度に相当し、本研究で開発する方法が1分子分析に応用可能なことを意味している。また、液滴内での1分子化学反応操作を実現するために、ナノ流路で連続生成した液滴に体積aLの液体を導入する方法も開発した。以上の方法に基づき、次年度は液滴内での1分子化学反応の検証に取り組む。

纳米空间流体工程的进步使得进行低至可数分子水平的超痕量化学分析成为可能。然而，即使样本分子数量有限，单纯扩展空间的微型化也无法达到流体学的最终目标，即单个分子的传输和化学处理，而单分子分析只能通过这。在这项研究中，我们利用我们的专有技术在纳米通道中生成极小的液滴，利用统计力学原理将一个样品分子捕获在液滴中，以数量为单位排列和运输，然后将液滴聚结到创建分子碰撞反应的方法学以及使用该方法的分析方法，并将其应用于病变部位的表皮角质形成细胞、眼泪、汗液等中所含的细胞因子的分析。研究项目A）开发用于连续液滴生成、传输和聚结的纳米流体装置，研究项目B）使用液滴验证单分子排列、传输和反应操作，研究项目C）进行单分子分析。 2022年，从2021年开始，我们进行了研究项目A和B。我们进一步开发了使用2021年开发的T形纳米通道的微液滴连续生成方法，并成功生成了aL体积的液滴。我们提出并研究了一种通过局部减小通道宽度来增加液滴生成所需的流体剪切力的设计，并验证了体积为 900aL 的液滴生成。利用这一点，我们证明了浓度在 10 pM 左右的单粒子传输和单分子传输。这对应于诊断时血清和细胞中目标蛋白分子的浓度，意味着本研究开发的方法可以应用于单分子分析。此外，为了实现液滴内的单分子化学反应操作，我们开发了一种将aL体积的液体引入到纳米通道中连续产生的液滴中的方法。基于上述方法，我们明年将致力于验证液滴内的单分子化学反应。