Graphene Field-effect Transistor Biosensor Based on Avidin-Biotin Interaction

概要

グラフェンの極端な電気的特性とさまざまな有機高分子との適合性により、グラフェンは理想的なバイオセンシングプラットフォームになる。高度なナノ製造装置の開発に伴い、さまざまな GFET バイオセンサが登場した。この論文ではグラフェンの非常に高いキャリア密度とアビジンとビオチン化生体分子間の独自の相互作用を組み合わせることにより、生体分子の迅速、高感度、高特異性、低コストの定量化検出のための新しい GFET バイオセンシングプラットフォームを提案した。電流 Ids の変動を監視することにより、ビオチン化生体分子を 0.4pM レベルで検出できる。 Ids 値と特定の標的生体分子の濃度との関係は 1 対 1 で対応できるため、電流 Ids 値から標的生体分子の濃度を迅速に推定できる。アビジン-ビオチン技術によるビオチン化生体分子の幅広い結合能力により、本 GFET はさまざまなバイオマーカーおよび生体分子の検出に使用できる。

グラフェンは炭素の一種であるが、素材としてはまったく新しいもので、これまでで最も薄いだけでなく、最も強いものでもある。電気の導体として、銅と同様に機能する。その優れた電気的特性と最も薄い厚さ（2 次元材料）に基づいて、グラフェントランジスタは超高感度の生物学的および化学的センシングプラットフォームとして期待されてる。

アビジン-ビオチン技術（最も強力な既知の非共有相互作用）は、さまざまな種類の ELISA（酵素結合免疫吸着測定法）キット、ポリマーベースの検出、およびさまざまな種類の疾患に関連する個別のバイオマーカーを検出するための標識免疫センサに広く適用されている。（例えば癌やインフルエンザなどに対してである）。ここでは、グラフェン電界効果トランジスタ（GFET）でアビジン-ビオチン技術を採用し、サブピコモル（pM）範囲でビオチン化タンパク質やヌクレオチドなどのビオチン化生体分子の特異的検出を実証した。さまざまなタンパク質やヌクレオチドと結合した後でも、ビオチン標識は強い親和性と特異性でアビジンとの結合能力を維持できる。したがって、この新しい高速検出プラットフォームには、リアルタイムの検出の可能性がある。特に大規模なエピデミック検出とポイントオブケア検査では、この新しいタイプのセンサプラットフォームは独自の利点を発揮することが期待できる。

本論文の第 1 章では、最初にグラフェン FET バイオセンサの研究背景と研究動機を紹介した。次に、グラフェン FET バイオセンサに関する以前の研究に基づいて、特定の分子の pM レベルの迅速な検出の研究目的を示した。最後に、主な調査方法と基本的な知識も、調査プロセス全体を通じて提示した。第 2 章では、グラフェンの応用とさまざまな分野でのその潜在的な応用に関連する最近の研究を幅広く紹介した。第 3 章では、グラフェンの電気的特性を紹介し、グラフェン電界効果トランジスタセンサに関連する電気的理論的基礎を示した。上記の理論に基づいて、グラフェン FET センシングの分野で 2 つの重要な推論を提案した。この章の最後に、グラフェンの低温特性についても示した。第 4 章では、グラフェンの調製方法を体系的に示した。同時に、グラフェンの準備に関する経験から得られた知見も示した。第 5 章では、グラフェン電界効果トランジスタとグラフェン電界効果トランジスタをベースにしたバイオセンサの研究成果について示した。第 6 章では、アビジン-ビオチン技術に基づくグラフェン電界効果トランジスタバイオセンサに関する研究結果の要約を示した。

現在、臨床的検出が直面している最も直接的な問題は、特に現在の COVID-19 パンデミックの状況において、既存の検査方法のほとんどが PCR や ELISA を含む迅速な検査を達成できないことである。上記の考察に基づいて、GFET バイオセンサは、従来の検出方法と比較して超高感度および特異性で特定の生体分子の迅速な定量的検出を達成できる新しいタイプのバイオセンサとして、臨床診断のための潜在的に信頼できる基礎を迅速に提供し、大規模なエピデミックの迅速なスクリーニングを達成することが期待される。 GFET バイオセンサは 10 年前に発明されたが、この論文では新しいセンシングプラットフォームとして、グラフェン FET バイオセンサの基本的な知識と将来の方向性を示している。