2014/8/2

表･プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を使ったバイオセンサーと酪農分野への応用
NTTマイクロシステムインテグレーション研究所
岩崎 弦
2014/6/30 2014年度42回画像電子学会年次大会
9:10‐12:00 安全な暮らしのための情報技術
ミュニケーション・エネルギー・気象・食糧の安全・安心のための技術

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NTTでのセンサー研究開発のキーワード

マイクロ流路バイオセンサー表面プラズモン共鳴

簡単な測定
使い切り、ウエアラブル

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内容
1. どこでも使えるバイオセンサー
2. バイオセンサーとデータ（画像）処理
3. SPRセンサーによるバイオセンサー•••

SPRの原理と特徴
画像処理による屈折率測定
画像処理による流速測定

4. 酪農分野へ応用
5. まとめCopyright©2014 NTT corp. All Rights Reserved.

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バイオセンサー血糖
医療・健康細菌、毒素
食品・農業・セキュリティー

ＤＮＡ配列
個人情報、生活Copyright©2014 NTT corp. All Rights Reserved.

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どこでも使えるバイオセンサー
情報通信網

医療

農業

生体分子センサー•音•文字•映像環境

物理センサー

バイオセンサー•生体分子情報•感性

その場で測定、すぐにわかる

コミュニケーションネットワーク

健康管理

生体情報ネットワーク

生体情報のネットワークへの入口が必要
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物理情報と化学情報
物理情報のインタフェース

現在の人－インタフェース：物理情
報

音・映像
温度、照度、加速度

化学情報のインタフェース
生命は化学情報に大きく影響される

化学情報（物質の種類と濃度）

ウエアラブル、低侵襲センサーに統合
クラウド処理、サービス

におい
味
抗原
遺伝物質・情報生体分子
人－ネットワークインタフェース
化学情報
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バイオセンサーの構成

検出

分子認識
抗体・酵素・核酸分離
電気泳動・質量分析

サンプル

電流
蛍光強度
光吸収
誘電率/屈折率Op Amp
PDCCD
CMOS

液送流路・ペーパーク
ロマト

サンプルを入手する

ターゲットを見分ける

データの変換＋情報処理

液体サンプルハンドリング
小型装置
表示・記録
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バイオセンサーとデータ（画像）処理

測定対象

方法

データ処理

採血血糖、代謝物

電気化学

平均化、ノイズ除去、測定開始終了判定

非侵襲血糖

透過スペクトル

多変量解析

特異結合分子（探査）
主にDNA

蛍光強度

アライメント、補正、欠陥検出†

特異結合分子（定量）
主に抗原

表面プラズモン共鳴

画像処理による定量
アライメント、補正、時系列処理† S. Draghici, Data Analysis Tools For DNA
Microarrays, CRC Press 2003

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表面プラズモン共鳴（SPR）による全反射光の吸収

単色光

屈折率

入射角度

SPR 角度

反射率最小
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屈折率による反射率最小入射角度のシフト

Ｐ偏光反射率1Gold
BK70.5エタノール

空気タンパク質膜

水

04060

入射角

SPR角度

80

屈折率を高い分解能で測定できる
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SPRによるバイオセンサーシステム（抗原の検出）屈折率が変化する<100 nm

溶媒

抗原抗体
金薄膜

金薄膜

100 nm以下に感度が集中。固定した分子の測定が選択的にできる
抗体の分子認識を直接検出（無標識）吸着密度または吸着速度から抗原濃度を得られる

SPRを使って、簡便に測定できるバイオセンサーシステムを構築できる
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SPRを実現する光学系 簡単な光学系
 ビームを入射 金薄膜上の反射点で測定
 入射角度を機械的にスキャン
 扇形光を入射 入射角度幅を同時に測定 機械的スキャンが不要で時間分解能が高い
 楔形光を入射 マイクロ流路中の焦線部分を同時に測定
 機械的スキャンが不要で時間・空間情報を得られる
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CCD画像から屈折率を求める画像処理
ピーク＝屈折率を追跡

反射強度

空間軸

反射強度

CCDの画像屈折率の時間空間変化
SPR角度の変化

屈折率の時間変化

SPR角度

空間軸

SPR角度

時間軸

時間軸

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12SPR測定装置

ハンディー
１点測定SPR装置

イメージングSPR

１次元測定
Smart SPR

• 単純な光学系で小型化が容易• 特別な部品が不要で安価• 多抗体測定用、面測定用など、用途に応じて構成を選択できる
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画像処理による流速測定
屈折率境界MicroTAS 2012, Y. Iwasaki et al

マルチチャンネルSPRで測定される屈折率の時間空間データ屈折率境界線を検出し、その傾きから流速を計算

実サンプルの流速（物理情報）が測定ができる
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SPRによる２次元屈折率マッピング

酵素膜の動作状況の可視化
Biosensors and Bioelectronics ,17, 783‐788, 2002

2次元SPRの光学系
SPR 顕微鏡
マイクロ流路の流れの可視化
Meas. Sci. Technol. 17 3184‐3188, 2006

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酪農分野への応用• 乳房炎による経済損出• 簡単に使えるセンサーによる対策• 5分で菌の判別• 使い捨てセンサーヘッド

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乳房炎の現状とセンサによる対策
乳房炎とは・・・乳牛の乳房の細菌感染症• 機械搾乳が原因で１０％の乳牛が感染• 乳量・品質の低下、治療・廃用など、膨大な損失• 対処の遅れで感染の拡大し損失を増大。
• 適切な対処法が原因菌によって異なり、画一的な対策がない
現行の原因菌の検査
搾乳確定検査（～１日）
１次検査
（農場）

乳の異常治療（検査機関）
サンプル送付常在菌が原因方針決定（農場）

センサによる迅速な（～１５分）対策決定

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使い捨てマイクロ流路チップ

抗体アレイ

マイクロ流路16 mm

SPR用金薄膜
Prism

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まとめ
• 人間の化学情報を用いたサービス• 化学情報をバイオセンサーで取り込む• 構成が簡単なSPRは有力なセンシング方式• 画像処理によって、化学情報に変換• 化学情報と物理情報を同時に得られる• 酪農向けにバイオセンサーを開発• 複雑な測定手順を画像処理に置き換えて簡略化できる

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