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ホーム絹フィブロインを用いた酵素膜の作製と拡張ゲート型バイオセンサーへの応用
SDGsの分類
研究テーマ
ライフサイエンス
学科の分類
工学部電子情報システム工学科ナノ材料マイクロデバイス研究センター

絹フィブロインを用いた酵素膜の作製と拡張ゲート型バイオセンサーへの応用

工学部

電子情報システム工学科

機能システムデバイス研究室

小池一歩 教授

共同研究者

廣芝伸哉
バイオセンサー絹フィブロイン酵素固定化

本研究室が行っている研究課題の一つに「連続モニタリング可能なFETタイプのバイオセンサーの開発」があります.近年,体液に含まれる健康指標マーカを連続,かつ,繰り返し測定可能なウェアラブルセンサーの需要が高まっています.その中でも特に開発が進められているパッチ型センサーは,皮下の血管と細胞の間を満たしている間質液を被検液とするため,低侵襲で連続使用できる特徴があります.これまで我々は,市販のMOSFETのゲート端子に酵素膜を形成した拡張電極を接続して,拡張ゲートFET(EGFET)タイプのバイオセンサーを試作してきました.本研究シーズは,「絹フィブロインを用いた酵素固定化技術」と「EGFETタイプのバイオセンサー応用」です.

 

EGFETタイプのグルコースセンサー

現在市販されているグルコースセンサーは酵素電極を用いたものが主流で,酵素反応で生成される過酸化水素を電気分解した際に発生する電流を検出しています.一方,EGFETを用いる場合は,絶縁ゲートに酵素を固定化した拡張電極を接続し,酵素反応で生成されるプロトンの吸着電荷を検出します.このため,後者は被検液中での電気分解反応が不要で,グルコースを繰り返し,連続して検出する用途に適しています.我々は,これまで生体適合性の高い絹フィブロイン(SF)を酵素包括担体として用いて,拡張電極表面にスピンコート法で酵素膜を形成し,EGFETタイプのグルコースセンサーを作製してきました.SFの原料として(株)松田養蚕場より供与されたナノフィブロインパウダーを使用しています.本試薬は家蚕絹糸からセリシンを除去して抽出した高純度のフィブロインパウダーであり,家蚕の生体から直接抽出したフィブロイン溶液と異なり,幅広い範囲で濃度を容易に調整できる利点があります.SFは,酵素を構成するアミノ酸と共有結合が可能であるため,グルタルアルデヒドなどの架橋剤を用いず酵素を包括固定できる特徴があります.また,SFで包括された酵素は遊離酵素よりも広いpH範囲で活性が保たれることや低温殺菌可能な60℃(遊離酵素の場合は40℃以上で活性が急減する)まで活性が保たれることも報告されています[朝倉ほか,繊維学会誌,45-6 (1989) 252.].

 図1に酵素膜を作製するプロセスを示します.まず,ナノフィブロインパウダーを超純水に溶かし,そこに酵素を加えて水溶液を作製します.次に,親水化処理したガラス基板表面にこの水溶液を滴下しスピンコートします.自然乾燥させた後,エタノール水溶液に浸漬させて不溶化処理を行います(SFは水に可溶であるため,酵素膜として使用する場合は不溶化処理が必要).この不溶化処理によって,SFは非晶質から逆平行βシート構造へ結晶化が起こり,さらに多孔質化します.

図1 酵素膜の作製プロセス

 

図2にセンサーの測定セットアップを示します.市販のNチャネルMOSFETのゲート端子に,酵素を含むSF膜を形成した拡張電極を接続してEGFETを構成しています.拡張ゲート表面の電位変化を検出するため,市販のAg/AgCl参照電極をドレイン端子と接続しています.次に,DCソースメーターを用いてソース電流を一定に保ち,ドレイン電流が飽和する正の電圧領域に動作点を設定します.ここでは,被検液の溶媒としてpH 7.4のリン酸緩衝液PBSを用いています.

図2 センサーの測定セットアップ

 図3にPBS中のグルコース濃度を段階的に変化させたときの電圧応答を,図4にグルコース濃度と出力電圧変化の関係を示します.図3より,溶液中のグルコース濃度が変わるたびにステップ状に電圧が応答しており,濃度をゼロに戻すと電圧レベルも元に戻っていることから,試作したセンサーはグルコース濃度の連続測定が可能であることが分かります.図4の結果をミカエリスメンテンの式へ適用したところ,ミカエリス定数は0.02 mg/mLと見積もることができました.このセンサーは,唾液や汗に含まれる低いグルコース濃度範囲をカバーしており,現在市販されている電極タイプのグルコースセンサーと比較すると1桁以上感度が高いことも分かりました.さらに,室温で拡張電極を保管したところ,1ヶ月以上センサーの感度が保たれることも分かりました.

  図3 グルコースの連続モニタリング     図4 試作したセンサーの測定可能範囲

おわりに

 EGFETタイプのバイオセンサーは,パッチ型やマウスガード型のウェアラブルバイオセンサーに適用できる可能性があります.今回使用したSFは様々な酵素を包括固定できる可能性があります.本研究シーズである「絹フィブロインを用いた酵素固定化技術」と「EGFETタイプのバイオセンサー応用」に関心をお持ちの方は,是非以下の論文もご覧ください.

論文

「電界効果トランジスターを用いたバイオセンサー」(2020)小池一歩『材料誌』69p.692~697.

「電界効果トランジスター型バイオセンサー応用に向けたスピンコート法によるフィブロイン薄膜の作製と特性評価」(2019)小池一歩『材料誌』68p.751~756.

「長鎖アミノシランを用いて酵素を固定化した拡張ゲート電界効果トランジスタのグルコース検出特性」(2019)小池一歩『電気学会論文誌E』139p.143~148.

研究者INFO: 工学部 電子情報システム工学科 機能システムデバイス研究室 小池一歩 教授

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