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光干渉型表面応力センサによる超高感度分子間相互作用解析と多項目バイオマーカー検出

豊橋技術科学大学 大学院工学研究科電気・電子情報工学専攻

准教授 髙橋 一浩

【別紙5】

平成31年1月18日

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従来技術とその問題点

• ELISAとの比較• 蛍光標識、酵素の修飾に時間がかかるトータル2.5時間• 本質的に1種類ずつの測定(蛍光試薬を複数準備すれば4種類まで可能) マルチ計測が困難

• 試薬の使用量、種類が多い

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従来技術とその問題点

• 水晶振動子（QCM）や表面プラズモン（SPR）デバイスは、バルクのセンサ素子や光学系を必要とするため、多項目の診断を行うことが難しく、抗体試薬の使用量が増える。

• FET型バイオセンサは、半導体表面に存在するデバイ長内の電荷変化のみを検出し、その範囲は数ナノメートルの範囲に制限されるため、タンパク質およびその抗体などの生体高分子はデバイ長から外れてしまう。

• ＭＥＭＳ型バイオセンサは、表面の分子吸着量に対する信号変換効率（ＡＦＭカンチレバー反射角度やピエゾ抵抗効果による電圧出力）が低く感度が悪い。

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半導体バイオセンサデバイ長数nm

T. Sakata, Eur Biophys J 43, 217 (2014)

タンパク質10 nm 程度

マーカーの多項目の測定に課題

Source Drain

マグネットで磁気ビーズを固定

複数種類の抗体を滴下すると素子上で混ざる

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MEMS表面応力バイオセンサ

A. Majumdar, University of California at BerkeleyR. Berger, et al., Science 276,

p.2022 (1997)

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MEMS表面応力センサのトランスデューサー

D. A. Raorane, et al., Nano letters, 8, pp. 2968-2974 (2008)

反射角度を利用した検出方法

電気抵抗の変化

G. Yoshikawa et al., Nano letters11(3), p. 1044 (2011)

反射角度の変化

電気抵抗変化を利用した検出方法

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光干渉計を用いた新規トランスデューサ

高橋一浩，他，平成24年9月，PCT/JP2012/75182 他関連特許3件

Fabry-Perot 干渉

フォトダイオード

エアギャップ

単波長光源

MEMS可動膜

e-保護酸化膜

(1) 分子吸着（応力変化 Ds ）

(3) 透過率変化 Df (z)

(2) 膜変位

(4) 光電流変化DI = q h l

h cDf (z)

光源波長

膜変位 z

透過率変化

MEMS光干渉計とフォトダイオードを集積化した表面応力センサの構造と分子間力測定の原理

抵抗変化方式

応力の信号変換効率 DI = q h lh c

Df (z)

材料によって決まる係数 干渉スペクトルで制御可能

提案方式

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表面応力検出限界の見積もり

G. Yoshikawa et al., Nano letters11, 1044 (2011)

ピエゾ抵抗方式0.1 mN/m Elastomer

Parylene-C

0.1 mN/m

COMSOLによる変位解析直径 200 mm

ピエゾ抵抗方式よりも3桁小さなストレス検出可能性を示唆

N. Sato, et. al., Soft matter, 12, 9202, (2016)

SBS ポリスチレン－ポリブタジエン－

ポリスチレン (早稲田大藤枝先生提供)

3 cm

光干渉方式変位検出限界50 pmM. Schmidt, et al., Opt. Express 8, 475 (2001)

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作製したMEMSセンサElastomer nanosheet

Si sub.

Experiment

Fitting curve (Air gap 510 nm)

200 mm

K. Takahashi, et al., JJAP 57, 010302 (2018)

100 nm~

200-600 nm

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抗原抗体反応時のセンサの応答

抗原抗体反応によるシフト （金/パリレン膜）

Ref

lect

ance

(%)

Wavelength (nm)

抗原 (5 µg/ml)

T. Takahashi, et al., JMM 28 (5), 054002 (2018)

1. EDC(2 mg/ml), NHS (0.6 mg/ml)2. ヒト血清アルブミン抗体（anti-HSA）100 µg/ml3. ウシ血清アルブミン（BSA, ブロッキング） 100 µg/ml4. ヒト血清アルブミン抗原（HSA）、

O O-O O-CONH

CONH

CONH

HSA抗体

HSA抗原BSA

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抗原抗体反応時の出力電流変化

5%の強度変化で200 nA変化

680 nm LD 100 mW照射、Si PD測定

Y.J. Choi, et al., AWAD 2018

10 ng/mL HSA

抗原抗体反応時のスペクトルシフト 単波長照射時の電流変化

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信号処理回路の実装

S. Maruyama, et al., Sensors 18, 138 (2018)

センサチップ

読出しモジュール試作機

センサ出力

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マルチ検出に向けた32x32イメージセンサ

32x32 MEMSセンサアレイ

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サスペンデットグラフェンの利用による高感度化

2

2

1Dz

Et表面応力感度

D：直径、E：ヤング率、ｔ：膜厚

表面応力感度は弾性率よりも薄膜化の効果が大きい

グラフェンを使用することにより単位面積当たりの表面応力感度が1000倍に向上

サスペンデットグラフェン

封止キャビティ

Film materialYoung's Modulus E[GPa]

Thickness t[nm]

Sensitivity [a.u.]

Graphene 1000 0.34 2967

Parylene-C [1] 2.8 350 1

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封止キャビティ構造をもつサスペンデットグラフェン

@ -1 atm gauge pressure

加熱

SiO2

Si

PMMA（支持膜）

PDMS PDMS（ハンドル層）

Graphene

SiO2 surface

PMMA（ガラス転移）

SiO2 surface

PMMA

Graphene

低温

高温

Vacuum chamber

膨らみなし 膨らみあり

G

2D

D

I2D/IG = 1.79ID/IG = 0.064

K. Takahashi, et al., APL 112, 041901 (2018)

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サスペンデットグラフェン上での選択的分子検出

BSA抗原 1.5 nM

OO

O

O

NO

O

NHO

O

NH

NH2

1-Py

rene

buta

noic

aci

d,

succ

inim

idyl

este

r

BSA抗体

Micro/nano cavity24 nm

9 nm

（ヒト血清アルブミン）

（ウシ血清アルブミン）

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新技術の特徴と従来技術との比較

3. CMOSイメージセンサの利用により100万以上の素子を集積化可能

2. 光干渉計のスペクトル幅を制御することにより信号変換効率を増大可能

1. 可動膜に二次元材料を用いて応力に対する感度を1000倍向上検出時間の短縮

並列処理

VDD

VLN

output

Reset

Photodiode

単波長光源 Fabry-Perot 干渉有機薄膜

or 二次元材料

光干渉計

イメージセンサ

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想定される用途

• 家庭での病気（がん、心筋梗塞、アルツハイマー病など）マーカー検出、早期診断、治療の効果確認

• 創薬における研究開発ツール• 細胞の代謝活性評価や神経伝達物質のイメージング

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実用化に向けた課題

• 安定した液中測定を行うための封止・実装技術の向上

• 抗体などのレセプターや架橋剤などとセンサ界面の処理技術

• 異なるマーカー抗体・レセプターを素子毎に塗り分ける技術の開発

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企業への期待

•ＣＭＯＳ－ＭＥＭＳバイオチップの量産化•センサの出力を画像化する測定器の共同開発（ＣＭＯＳイメージセンサのインターフェース）

•新規抗体製作やレセプタ材料を開発中の企業との共同研究

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本技術に関する知的財産権

•発明の名称 ：物理・化学センサ、物理・化学

センサアレイおよび物理・化学センシングデバイス

• 特許番号 ：特許第5988055号•出願人 ：国立大学法人豊橋技術科学大学

• 発明者 ：髙橋一浩、澤田和明、大山泰生

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お問い合わせ先

豊橋技術科学大学

研究推進アドミニストレーションセンター馬場 清一

ＴＥＬ ０５３２－４４ －６９７５

ＦＡＸ ０５３２－４４ －６９８０

e-mail s-banba＠rac.tut.ac.jp