成果報告書詳細
管理番号20130000001037
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 革新的ナノカーボン材料先導研究開発 グラフェンを活用した高感度汎用FETバイオセンサ材料の研究開発
公開日2013/11/22
報告書年度2011 - 2012
委託先名メルク株式会社 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P11019
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約酸化還元、剥離、CVDグラフェンそれぞれを用いたバイオセンサ用グラフェン材料を開発した。これらの材料を用いて作製したバイオセンサは、受容器としてアプタマーとフラグメント抗体を用いて免疫グロブリンE(IgE)と熱ショックタンパク質(HSP)を特異的に検出でき、その感度は蛍光をもちいた現行の検出装置と同等あるいはより優れた0.07 ng/ml - 8.1 ng/ml、ダイナミックレンジも同等の104-105を示した。
 剥離グラフェン材料を用いて、受容器であるアプタマーやフラグメント抗体の固定化技術を開発し、酸化還元ならびにCVD成長グラフェンを用いたバイオセンサに応用した。剥離グラフェンを用いたバイオセンサでは、アプタマーを用いてIgEに対して4.7 ng/mlの感度、105のダイナミックレンジを確認した。また、フラグメント抗体を用いてHSPの検出を確認し、0.07ng/mlの感度と105ダイナミックレンジを確認した。
 酸化還元グラフェン材料の開発では、作製プロセスの攪拌時間ならびに還元時間を最適化し、移動度1-4 cm2/Vsを得た。また、本グラフェンをコートしパターニングした上に、チャネル長を最適化した電極を蒸着し、1-ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルリンカーを用いてアプタマーを固定化したセンサを作製した。このセンサを用いてIgEの検出を行い、感度8.1 ng/mlを達成した。IgE検体注入後、BSAを添加したがドレイン電流の変化はなく、IgEのみに応答する特異的検出を実証した。さらにIgE検出に際して、バッファ溶液のpHを最適化した結果、104のダイナミックレンジを達成できた。HSP検体に関しては、抗HSP抗体を酸化還元グラフェン表面に固定化したことをFETの特性カーブのシフトと走査プローブ顕微鏡による表面観察によって確認できたが、HSP検体そのものの検出にはいたらなかったが、グラフェンをブロッキング剤tween20で表面修飾することでBSAの非特異的吸着によるドレイン電流の変化が抑えられ、特異的検出を可能にするブロッキング剤による表面修飾技術を確立できた。本開発の目標であるIgEならびにHSP検体の検出感度1 ng/ml、105のダイナミックレンジに対して、IgEの検出感度8.1 ng/ml、104と一桁低い感度ならびにレンジの実証にとどまったが、感度向上ならびにダイナミックレンジ拡大のために必要な酸化還元グラフェンの特性と作製プロセスおよびグラフェン表面の修飾技術を確立できた。
 CVD成長グラフェン材料の開発では、触媒金属の選択、合成条件の最適化により優れた特性をもつグラフェンを作製し、さらに転写、パターニングの条件を最適化することで、一つの基板上に複数のグラフェンFETを作製し、pHの変化に対する感度を確認し、複数のデバイス上の特性のばらつきを評価した。
 酸化還元グラフェンでは、特性こそ目標に達しなかったが、剥離グラフェンを用いて、現行の蛍光を用いたラベルセンサと同等の特性をもつ、高感度FETバイオセンサのための表面修飾技術を確立できた。また、酸化還元、CVD成長グラフェン材料の作製プロセスおよびこれを用いたデバイス作製工程を最適化し、さらに剥離グラフェンで確立した表面修飾技術を応用することで、高感度汎用グラフェンFETバイオセンサ材料を開発できることを示した。
英文要約 We have developed materials for biosensor using reduced graphene oxide(RGO), mechanically exfoliated graphene, and chemical vapor deposition (CVD) growing graphene. Biosensors configured by these materials can specifically detect immunoglobulin E (IgE) and heat shock protein (HSP) by using aptamer and fragment antibody as receptors. Their sensitivities and dynamic range show 0.07ng/ml~8.1ng/ml and 104~105 respectively, and these are compatible or superior to current label detectors using fluorescent dye. Technologies to immobilize receptors such as aptamer and antibody on graphene surface are developed by using mechanically exfoliated graphene, and applied them to RGO and CVD graphene. We confirmed high sensitivity and wide dynamic range of exfoliated graphene for IgE as 4.7 ng/ml and 105 respectively using aptamer as a receptor. We also confirmed those for HSP as 0.07 ng/ml and 105 using fragment antibody as a receptor. In the case of RGO material development, we optimized mixing time and reduction time of its fabrication processes, and obtained mobility of 1~4cm2/Vs. We fabricated a biosensor by coating and patterning RGO on Au electrodes, whose channel length was optimized, with immobilized aptamer using succinimide-ester linker. We examined its sensing function to IgE, and it showed a sensing limit as 8.1ng/ml. It sensed only IgE and not sense bovine serum albumin (BSA) after blocking its surface with tween20. This is an evidence of a specific detection of it. We established surface immobilization of receptor and blocking technologies for specific detection of RGO sensor. A dynamic range of IgE detection by RGO reached to 104 by optimizing pH of buffer solution for detection analyte. We confirmed immobilization of anti-HSP antibody on RGO by a shift of RGO-FET transfer curve and by an observation of its surface by a scanning probe microscope (SPM). However, we could not confirm detection of HSP. We achieved a detection limit and sensing dynamics of RGO biosensor as 8.1 ng/ml and 104 respectively, and these are one order lower than our target. However, we established fabrication process and surface modification technologies of RGO to improve sensitivity and dynamic range of it.
For development of CVD graphene, we optimized a catalyst metal and synthesize conditions and obtained good graphene which showed excellent performance. We also optimized transferring and patterning conditions of CVD graphene and fabricated multiple graphene-FETs on a same substrate, and evaluate their sensitivities to pH and their performance uniformity. We could not reach goals of sensitivity and dynamic range for RGO sensor. However, by using exfoliated graphene, we established surface modification technologies of graphene to fabricate graphene-FET biosensor which has compatible performance of current fluorescent label detectors. We also showed feasibilities of highly sensitive versatile graphene-FET biosensor using RGO and CVD graphene by optimizing material and device fabrication processes and applying surface technologies established for exfoliated graphene.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る