News Release 

1000兆分の1モル濃度の抗原を検出する半導体チップを開発

自宅で検査可能なIoTバイオセンサに向けて

Toyohashi University of Technology (TUT)

Research News

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IMAGE: 微量の抗原分子をナノ薄膜表面に捉えて検出するIoTバイオセンサ view more 

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概要:

豊橋技術科学大学電気・電子情報工学系の髙橋一浩准教授、崔容俊助教らは、半導体マイクロマシン技術を用いて作製したチップ上で、1000兆分の1モル濃度の抗原分子を検出可能な検査チップを開発しました。血液や唾液中に含まれる病気由来の抗原分子を、フレキシブルに変形するナノシート表面に吸着させ、吸着抗原同士の相互作用によって発生する力をナノシートの変形量に変換して特定の抗原のみを検出することに成功しました。半導体技術により数ミリ角のサイズで形成した検査チップは、IoTバイオセンサとして家庭において抗原検査・抗体検査を行うことにより、遠隔医療への貢献が期待されます。

詳細:

ごく微量の血液や尿、唾液などの体液から病気の検査を簡易かつ迅速に行う計測装置は、正確な診断や治療効果の検証、再発や転移の調査をするために極めて重要です。このような体液に含まれるいるDNA・RNAおよびタンパク質などを検出して病理学的反応および治療の効果を判定するためのバイオセンサが研究されています。最近ではコロナウイルスへの感染の有無を判定する検査として抗原検査・抗体検査が広く利用され、世界的に関心の高まっている技術です。さらに、COVID-19の陽性者のうち、重症化患者のみ血液中の複数のタンパク質濃度が軽症者とは異なることが報告されており、このような検査マーカーを調べることにより、重症化予測に活用できると期待されています。現在実用化されている検査装置は標識剤を用いて色の変化を読み取る検出方式であるため、電子化されておらず、多項目のマーカー測定には時間がかかるとともにIoTデバイスへの実装が困難でした。

研究チームでは、半導体マイクロマシン技術で形成したフレキシブルに変形するナノシートを用いて病気の有無を判断するマイクロ検査チップを研究しています。ナノシートの上に検出対象の抗原分子をつかまえる抗体をあらかじめ固定しておき、そこに吸着した抗原同士が電気的に反発する力により生じる薄膜の変形を読み取る原理を採用しています。このセンサ技術は抗原を吸着する膜を薄く、やわらかくするほど感度を向上できるため、半導体材料のシリコンより2桁柔らかい有機材料のナノシートを使用することにより、センサ感度は従来のシリコンベースのセンサよりも2桁以上向上することが期待されます。また、スマートフォンに搭載されているカメラ素子でナノシートの変形を信号検出する技術の開発も進めてきました。

しかしながら、生体分子の吸着に対して敏感に変形するように設計する本センサでは、抗原を捕まえるための抗体をあらかじめナノシート表面に固定しておく必要がありますが、この固定化処理で膜を劣化させる難しさがありました。研究チームではナノ膜厚の可動膜上への抗体を固定化する密度を最適化して、抗原のみを特異的に高感度で検出するバイオセンサを実現しました。さらに、分子の吸着によりナノシートが変形していく様子をリアルタイムで検出することが可能であるため、病気由来の分子を迅速に検出することが期待されます。今回開発したバイオセンサを用いて血液に含まれているタンパク質であるアルブミンの検出実験を行い、1ミリリットル中に含まれる1フェムトグラム(モル濃度換算で15アトモル)の抗原の検出に成功しました。この検出下限濃度は、標識剤を使った大型の検査装置と比較してもほぼ等価な値を示しており、携帯可能な規模の検査装置で超高感度な検査が期待できます。

今後の展望:

研究チームは、今後COVID-19の重症化予測マーカーを半導体センサ上で検出できることを実証していく計画です。さらに、血液検査のほかにも、においや化学物質を検出する化学センサを研究中で、IoT社会に貢献する新しい小型センサ装置に適用可能であると考えています。提案したナノシートの表面に修飾するプローブ分子を付け替えることによって、様々なバイオマーカーを検出するとともにウイルスの検査などへの応用が可能になります。IoTバイオセンサの社会実装により、自宅に居ながら医師からの診察を受ける遠隔医療への貢献を目指しています。

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論文情報:

Yong-Joon Choi, Toshiaki Takahashi, Miki Taki, Kazuaki Sawada, and Kazuhiro Takahashi, Label-free attomolar protein detection using a MEMS optical interferometric surface-stress immunosensor with a freestanding PMMA/parylene-C nanosheet, Biosensors and Bioelectronics, DOI: 10.1016/j.bios.2020.112778

本研究は、文部科学省科学研究費(基盤研究(B))の助成、および国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)さきがけ 素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成(JPMJPR1526)、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) 未踏チャレンジ2050の委託によって実施されました。

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