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研究内容

Keywords

超高感度メタ表面バイオセンサー, ナノフォトニクス, 光と物質の相互作用, サブ波長光学素子

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My recent book, available at amazon, CRC press, and Pan Stanford Publishing.

出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。

会議録
口頭発表

所属学会

応用物理学会, 日本物理学会, レーザー学会, OPTICA

受賞履歴

  • レーザー学会業績賞(論文賞) (2017)
  • コニカミノルタ画像科学奨励賞 (2013)
電子・光機能材料研究センター
タイトル

光メタ表面バイオセンサシステム

キーワード

人工造形ナノ構造表面,メタ表面,ナノフォトニクス,バイオセンシング,蛍光センシング,タンパク質検出,DNA検出

概要

新型コロナウイルス感染症の世界的な蔓延を経て、バイオセンシング技術の重要性は社会に広く認知されるところとなった。とくに検出性能が高く、広範な生体分子を特異的に検出でき、なおかつ短時間で結果が得られるセンシング技術への需要が大きい。検出性能を追求した結果、大型高額な検査装置となり、既存技術では需要とのミスマッチが起きており、この点にも対応できることを念頭にバイオセンシング技術の開発を行った。メタ表面は人工的な設計により特定の機能を発現するナノ構造表面であり、世界中で研究開発が行われている。メタ表面のなかで蛍光物質を特に高輝度化するものを見出し、これらを活用して蛍光バイオセンシングへの応用を進めてきた。これまでに癌マーカー抗原などのタンパク質からセルフリーDNAなどの核酸に至る多様な検出対象のセンシングに成功している。

新規性・独創性

蛍光を高輝度化するメタ表面はNIMSで独自に発見した。
この蛍光増強メタ表面は世界的に見ても、増強性能と再現性を両立する最上位の性能を示す。
夾雑環境下(血清中)の癌マーカー抗原を医療診断基準の数十倍低濃度であっても検出できる。
短サイクルの核酸増幅法と組み合わせることにより、1分子と0分子を区別できる単一DNA分子検出を実現した。
この単一DNA分子検出はデジタルPCR法など既存の超高感度検出法でも実現できていない性能である。

内容

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メタ表面基板(6チャンネル用)の写真を(A)に示している。白いスケールバーは10 mmを表す。拡大図は電子顕微鏡写真であり、シリコンナノペレット周期列からなり、周期長は300 nm、ナノペレットの高さは200 nmである。黒いスケールバーは500 nmを示す。このメタ表面は570~600 nmの波長域の発光を高輝度化する特性をもつように設計されている。[M. Iwanaga, Biosensors 13, 377 (2023).]
セルフリーDNAの検出工程の概略を(B)に示す。運動効果により誘発される特定のセルフリーDNA配列を標的として、30サイクルの核酸増幅を行った(通常は40サイクル行い、さらに約1000倍増幅するが、疑反応が起きる可能性も高まる)。増幅核酸にビオチンおよび蛍光ラベリングを施すことにより、メタ表面センサ上に標的増幅物に効率的に固定し、蛍光検出することができる。右端に蛍光(FL)放出を概念的に示している。この検出方式により、1分子と0分子を区別できる単一セルフリーDNA検出を実証した。[M. Iwanaga et al., Nano Letters 23, 5755 (2023).]
このように超高感度な検出が簡便なセットアップで実現できたことは、マイクロRNAなどの次世代医療マーカーの検出を容易にし、新規の健康サービス創出に寄与することを目指している。

まとめ

超高感度な蛍光検出を行うメタ表面バイオセンサ開発およびその自動検出システム化を進めてきた。
タンパク質検出から核酸検出の多様な場面で活用できる。
DNA検出に関して、単一分子検出という究極的な性能を実現している。

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