別紙4‑2 (課程博士(和文))平成

電気・電子情報工学専攻

弓女条誓1雪・号・第 149201号
指導教員

氏名

ChoiYon宮 Joon

29年

0 9月

澤田和明

若原Π刀t止21日

論文内容の要旨(博士)
博十学位論文名

フィルタフリー蛍光検出センサの性能向上と応用(要旨 1,200字程度)
蛍光検出は、高感度で高い選択性を持っているため、化学、生化学、医療分野など広い分野で使用されている。しかし、蛍光観測は光学顕微鏡に蛍光フィルタなどが必要であり、大規模、高価な装置になる。したがって,その場診断などのために小型化された蛍光検出装置の実現が求められている。最近,蛍光顕微鏡で使用されている干渉フィルタと吸収フィルタを集積されたオンチップ蛍光センサなどが報告されている。しかし,製作工程が複雑で測定される蛍光の波長が固定されており,蛍光試薬の変更に伴う対応が難しい問題がある。そこで、本研究室では光学フィルタなどを必要としないフィルタフリー蛍光センサに関する研究を行ってきた。しかし、励起光:蛍光の強度比は一般に数千:1 以上であるため,蛍光検出にはその分雜能力向上が必要となる

そこで、波長分籬能力の性能を向上するため、 LPCVD の成膜温度を変更してフォトゲートの材1斗であるポリシリコンの表面を平坦化することで、表面の粗さの実効値(RMS)は、 163 nm から 1.6nm まで、 10分の 1程度に改善することができた。その結果、励起光と蛍光の波長分酢能力が 800:1から 1250;1 まで増加して、従来の性能と比較して 1.5倍の向上を確認した。この結果から、ポリシリコンの表面粗さを抑制することによって、シリコン内部での前方散乱を減少させることができ、波長分酢能力が向上したと考えられる。波長分雛能力が 1,250:1 まで性能向上したフィルタフリー蛍光センサを用いて、 nTC と T獣as Red の蛍光検出を行った。蛍光試薬を測定するため、吸収係数の影響を最小化した光電流ベースを用いて、パラメータ法を提案した。その結果、蛍光試薬についてサブミクロンモーラの濃度まで検出tることが可能になった。また、 HTCとTexasRedの混合試薬から放出する 3波長の光を同時に検出する事が可能になった。その結果から、光学フィルターを使用せずにFRET分析等に応用することが可能であると考えられる。ラベりン
グされた細胞を測定するため、フィルターレス蛍光センサーを用いた細胞分析システムを提案した。蛍光ラ

べりングされた剤明包からの励起光(λ:488 nm)と蛍光(λ:536nm)を分雜し、提案されたパラメータを適用して、同時に光強度を検出する事が可能になった。ラベりングされた細胞からの蛍光強度は従来の蛍光顕微鏡の測定結果に比べ、4 %以内の範囲で、従来の蛍光顕微鏡で観察された蛍光強度とほぼ・一致する結果が得られた。そして、小型化された蛍光検出システムをため、流体素子を作製し、フィルタフリー蛍光センサに適用して評価を行っており、 HTC試薬に対して以前(ディスポセノレ)より少量の試薬3μLでほぼ一致する結果を得られた。そして、蛍光ビーズの分布による蛍光強度と混合されたビーズについて蛍光成分の分航が可能であることが示された。

以上の結果より、これらの結果を踏まえ、今後の研究ではフィルタフリー蛍光センサを用いてネ剛炮等の生体観察に応用することが期待される。

別紙41 信果程博士(英文))Date of submission (month day, year)
Departmenl ofElectrical andStudentlD Number

D149201

SeP 21,2017

Kazuakisawada

Electronic lnformation Engineering
SupeTvisoTS
Pplicarlt's name

ChoiYon曾 Joon

Akihiro wakahara

Abstract (Doctor)
Title ofThesis

Performance improvement ofa 行Her・free auorescence sensor and its applications

Approx.800 、Nords
Fluorescence a11alysis is widely used in biochemical analysis and medical diagnosis

Procedures because it is easy to use and can provide large a1110unts of data. Fluorescencemicroscopes are often used to detect auorescence. However, they consist of an optica1 負lter al)dOther pads, a11d are generaⅡy expensive and bulky. At salne time, on・chip meaS山ements ofauorescence are required for fleld diagnosis and point of care testing systems, which requires
the development of miniature auorescence detection devices. Recently, on・chip auorescence

Sensors have been developed that consist of optica1 丘lters integrated on photodiodes.1naddition, a auorescence sensor using buried triple p・n junction photodiodes has also beendeveloped. Although these devices exhibit high sensitivity, the fabrication processes required tointegrate the optica1 丘lters are compHcated.1n addition,it is di缶Cultto deal with cha11ges in theauorescent solution because the detectable auorescence 、Navelength is flxed.
A filter・free auorescence sensor 圦lith a photo・gate structure has been developed that ca11
measure a wide range of wavelengths without f11ters by considering the depth of the lightabs0印tion in the silicon. The separation ability of exdtation light and auorescence in thisSensor 、NaS 800:1. However, auorescence detection requires al) intensity ratio of more tha11
1,000:1 between the excitation light a11d auorescence.1n order to enhatlce the separation
ability for a filter・free auorescence sensor, we improved the pla11arization of its polysilicon
Surface. For the surface planarization, deposition was perfonned by low pressure chemicalVapor deposition (LPCVD) at a low temperature, which decreased the root mea11Square (RNIS)

rouglmesS 負'om 16.29 t0 1.63 1ml.1he proposed polysilicon surface with the sma11er RMS
rouglmess reduced the scauering of the incident light in the siHcon substrate. As a result, theSeparation ability ofthe filter・fiee auorescence sensor was increased from 800:1 t0 1,250:1
by platlanzation.
Then,、Ne describe the detection of auorescence tiom Fluorescein・4・isothiocyanate (FITC・D

and sulforhodamine lol acid chloride (Texas Red) using the filter一丘'ee auorescence sensor in、Nhich the separation ability ofthe sensor iS 1250:1.10 measure the auorescence solution, we
Proposed a parameter to minimize the e介'ect of the interference introduced by each layer. Theauorescence of submicron・molar concentrations of solutions could be detected. we also

describe the simulta11eous detection oft11ree wavelengths using the sensor for the measurement

Of mixed auorescent solutions.圦7e determined it was possible to use FREl analysis with the丘lter‑free auorescence sensor to simultaneously measure the intensities of t11ree wavelengths、刃ithout using an optica161ter
In order to measure the labeled ce11S, proposed a ceⅡ analysis system a11d 2D auorescenceimaging system without optica161ters using a l・pixel filter・free auorescence sensor al)d a 32 X
32・pixel filter・fiee auorescence image sensor which used wavelength dependent absorption
depth in a silicon substrate. Excitation light a11d emission light 丘'om auorescently labeled ce11S
and Quantum dot were separated a11d their Hght intensities were detected at the same time bymeasuring the photo currents according the photogate voltage. The detected auorescence of
Ce11S and light emission from quantum dot were good agreement 、Nith the light intensities
Observed by conventional auorescence microscopy. AISO,、Ne propose a filter‑free auorescenceanalysis system using a filter・free auorescence sensor applied to microauidic for aowing
auorescent particles and auorescent dyes. based on these results,丘lture research wi11 be
expected to be applied to living body observation of ce11S by using a 61ter・free nuorescenceanalysis system.