本研究室では、「連続モニタリングが可能な拡張ゲートFET型バイオセンサーの開発」に取り組んでいます。近年、低侵襲でバイオマーカーを測定できるパッチ式バイオセンサーへの関心が高まっており、我々もこの分野における技術開発を進めています。本研究では、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することで、グルコース（糖）、腎機能指標であるクレアチニンおよび尿素を検出可能な拡張ゲートFET（EGFET）型バイオセンサーの開発を行っています。本研究の特徴的な技術シーズは、絹フィブロインを用いた酵素膜の作製技術と、EGFET型バイオセンサーの高感度かつ安定な動作を可能にする回路設計にあります。
現在市販されているグルコースセンサーの多くは酵素電極型であり、酵素反応により生成された過酸化水素を電気分解し、その際に発生する電流を検出することでグルコース濃度を測定しています。一方、EGFET（Extended-Gate Field-Effect Transistor）を用いた方式では、絶縁ゲートに酵素を固定化した拡張電極を接続し、酵素反応によって生成されるプロトンの吸着電荷変化をゲート電位として検出します。この方式では、被検液中での電気分解反応を必要としないため、連続測定や繰り返し測定に適しており、ウェアラブル型など低侵襲センサーへの応用が期待されます。
我々は、生体適合性の高い絹フィブロイン（silk fibroin: SF）を酵素包括担体として用いたEGFET型グルコースセンサーの開発を進めています。拡張電極表面には、SFを用いた酵素膜をスピンコート法により形成しています。酵素膜の原料としては、株式会社松田養蚕場より提供されたナノフィブロインⓇパウダーを使用しています。このパウダーは、家蚕由来の絹糸からセリシンを除去して抽出された高純度のフィブロインであり、従来のフィブロイン溶液と比べて、濃度の調整が容易であるという利点があります。
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に酵素を安定的に包括固定できる点も特徴です。さらに、SFで包括された酵素は、遊離酵素と比較して広範なpH範囲で活性が維持され、また低温殺菌にも対応でき、60℃まで活性が保たれることが報告されています［朝倉ほか，繊維学会誌，45(6), 252 (1989)］。
図1に、酵素膜作製の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解し、酵素を加えて混合水溶液を調製します。次に、拡張ゲート電極として、Ti膜を形成したガラスまたはTiフレキシブル基板を用意し、アミノシランを用いたシランカップリング処理によって基板表面を親水化します。その後、酵素水溶液を滴下し、スピンコートによって膜を形成します。自然乾燥後、酵素膜をエタノール水溶液に浸漬して不溶化処理を施します。これは、SFが水溶性であるため、酵素膜として安定に使用するために不可欠な工程です。この処理により、SFは非晶質構造からβシート構造へと結晶化し、水に不溶な多孔質酵素膜が形成されます。
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、酵素を含む絹フィブロイン（SF）膜を形成した拡張電極を接続し、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MOSFETのドレイン端子と接続しています。測定においては、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ています。被検液の溶媒として、pH 7.4のリン酸緩衝液（PBS）を使用しています。なお、図中には示していませんが、同一チップ上に複数のNチャネルMOSFETを搭載した素子を用いることで、差動回路を構成することが可能です。これにより、トランジスターの接合温度、被検液の温度変化や外部光の照射に起因する電圧ドリフトを抑えることができます。
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際の電圧応答を、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からは、溶液中のグルコース濃度が変化するたびに、電圧がステップ状に応答していることが分かります。また、濃度をゼロに戻すと電圧レベルも元の値に戻っていることから、本センサーはグルコース濃度を連続的に測定できることが確認できます。図4の結果にミカエリス・メンテン式を適用したところ、本センサーのミカエリス定数は0.02 mg/mLと見積もられました。このことから、本センサーは唾液や汗に含まれるような低濃度のグルコースの検出にも対応できることが分かります。現在、私たちは腎機能マーカーであるクレアチニンや尿素の検出を目的としたバイオセンサーの開発にも取り組んでいます。
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
EGFET型バイオセンサーは、パッチ型やマウスガード型といったウェアラブルデバイスへの応用が期待されるセンシング技術です。本研究で使用している絹フィブロイン（SF）は、生体適合性に優れ、さまざまな酵素を高密度かつ安定的に包括固定できる可能性を有しています。今後は、グルコースに限らず、多様なバイオマーカーの検出に対応可能なセンサーの開発に取り組み、実用化に向けた研究をさらに推進してまいります。本研究で使用しているシランカップリング剤は信越化学工業株式会社の廣神氏より、絹フィブロインの原料であるナノフィブロインパウダーは株式会社松田養蚕場の松田氏より、それぞれご提供いただいております。本研究の一部は、公益財団法人 泉科学技術振興財団の研究助成を受けて実施しております。
https://www.oit.ac.jp/labs/eng/elc/koike/
論文
「差動型拡張ゲート電界効果トランジスターを用いたクレアチニンセンサーの作製と評価」(2024)『材料誌』73(10)p.763-767.
「Characteristics of an Extended Gate Field-Eect Transistor for Glucose Sensing Using an Enzyme-Containing Silk Fibroin Membrane as the Bio-Chemical Component」(2020)『Biosensors』10p.57(13pp).
「Extended-gate field-effect transistor-based biosensors for the detection of urea as an indicator of renal function」(2025)『Japanese Journal of Applied Physics』64p.086501(5pp).
特許
特願2025-030899 「バイオセンサ」
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