バイオセンシングの現状と展望 - photon factorypf...東京工科大学 学長...
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東京工科大学 学長 独立行政法人産業技術総合研究所
バイオニクス研究センター センター長
軽部征夫
バイオセンシングの現状と展望
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アイデアの提供
共同開発 研究指導
共同研究 技術移転
特許料
(ランニングロイヤリティ)
共同研究
東京工科大学
応用生物学部
次世代バイオセンサーと
バイオチップのアイディア
産業技術総合研究所
バイオニクス研究センター
基本特許の申請
基礎データの収集
企業
産学官の連携での共同研究体制
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バイオセンサーの開発
23.67009 MHz
生体の機能を使って化学物質を測る装置
A
酵素
トランスデューサー
(電極、半導体など)
分子認識素子(生体膜)
化学物質の混合物
電気信号
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定量的な尿糖計
新規の尿糖センサー: ・測定範囲: 0-2000 mg/dL (1 mg/dL units中) ・測定時間: 6 秒 ・寿命: 200 回測定 ( 60 日以内)
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㈱TOTOの尿糖検査機
「ウェルユー」
トイレ用バイオセンサー
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高齢化社会の医療システム
家庭 健康院 町医者
バイオセンサー が組み込まれた 健康チェックトイレ
病院
専門医
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リン酸センサー
卓上型
ブイ搭載型
試作機
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リン酸を検出するのに以下に示す2種類の酵素反応を利用している。
ピルビン酸オキシダーゼ(酵素)
リン酸 + ピルビン酸 + H2O + O2 → アセチルリン酸 + CO2 + H2O2
FAD, TPP, Mg2+
ペルオキシダーゼ(酵素)
ルミノール + H2O2 + O2 → アミノフタル酸 + N2 + H2O + h
(化学発光)
リン酸センサーの原理
υ
FAD;フラビンアデニンジヌクレオチド(補酵素) TPP;チアミンピロリン酸(補酵素) Mg2+;マグネシウムイオン(酵素活性化剤)
酵素反応の特徴
特定の基質のみを触媒する
化学発光反応の特徴
高感度(検出限界: 10 nM PO43-, 1 nM H2O2)
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FIAシステムの特徴
センサー応答の再現性が高い
応答時間が短い(30秒以内)
リン酸センサーに採用したフローインジェクション分析(FIA)システム
化学発光検出器 (光電子増倍管)
マイクロ コンピュータ
廃液
信号増幅器
混合器
ピルビン酸オキシダーゼ を固定化したカラム
測定試料水
ピルビン酸オキシダーゼ の反応試薬
化学発光試薬
ポンプ
試料注入器 (インジェクター)
高精度温度制御システム (酵素反応は温度の影響を受けやすいため)
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S-CODセンサー
特開平11 – 132997「電解式CODセンサー及び該センサーを用いるCODの測定法 」
(可溶性COD測定)
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プランクトンセンサー
特開平11 – 075893「植物プランクトン濃度の定量方法」
測定セル
ポンプ
蛍光検出ユニット
ワイパー 超音波粉砕機
試作機
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毒物センサー
特開平07 – 055756 「シアンセンサ、該センサを有するシアン検知ユニット 及び該検知ユニットを用いるシアン監視システム」
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ダイオキシンセンサー
: 2 . 3 . 7 . 8 - T C D D 抗 体
: 2 . 3 . 7 . 8 - T C D D
: 標 識 ( H R P ) - T C D D
ダ イ オ キ シ ン と ダ イ オ キ シ ン
標 識 物 の 混 合 物 注 入
光源 光検出器
金薄膜
流路
SPR検出装置
プリズム
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DNAチップ 約1 cm四方の小さなチップ上に多数のDNAを
決められた順に精密に並べたもの。
DNAの解析を短時間で大量に行うことができる。
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プラズマ重合膜
• 膜厚の制御が容易
• ドライプロセス
• モノマーを変えることにより、膜質の制御が可能 HMDS (ヘキサメチルジシロキサン) …疎水性膜
通常のガラス表面 HMDSプラズマ重合膜
で被覆したガラス表面
H2O (2 ml) H2O (2 ml)
プラズマ重合膜の疎水性
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基板
(ガラスorシリコン)
1st PP film
2nd PP film
ストレプトアビジン
プローブ DNA オリゴヌクレオチド
ビオチン
プラズマ重合膜内の様子
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一塩基多型 (Single Nucleotide Polymorphisms: SNPs) 解析
GAATCGTACGT
GAATCATACGT
SNPs とは?
• 個人間における一塩基の違いを意味する
• 約1000-2000塩基に1カ所の割合で存在する
SNPs 解析の意義
• 病気のなり易さ(なりにくさ)の判定や、薬剤に対する応答性・副作用
の違いの診断に利用可能
• 次世代創薬、オーダーメイド医療へ発展
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T T
C C
112 158
Cgc Cgc
Tgc
Tgc Tgc
Cgc
対立遺伝子(allele)
T
E3/E4
C C T C 112 158
E4/E4
C C C C 112 158
E2/E2 T 112 158
T T T
E2/E3 T T
C
112 158
E2/E4 T T C C
112 158
112 158
A A G G
E3/E3
E4/E4
E2/E2 E2/E3
E3/E4
E2/E4
遺伝子型と蛍光パターン
合計6パターン
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ガラス
Contact pad W.E.
R.E. A.E.
ポリイミド
10 mm
電気化学抗体チップ
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プロテオームチップ
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GOD
サンドイッチ法による抗原の検出原理
抗体
GOD-標識 IgG
抗体
抗原
電極
1st PPF
2nd PPF
グルコース + O2 グルコノラクトン + H2O2
グルコースオキシダーゼ (GOD)
H2O2 O2 + 2H+ + 2e-
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電極間のシグナルクロストークの評価
0
100
200
300
Cu
rre
nt
(nA
)
0
100
200
300
Cu
rre
nt
(nA
)
With glucose Without glucose
中央の電極のみに抗体を固定化した