グラフェンに匹敵する化合物出現。University of California Santa Barbara (UCSB) の研究チームがバイオセンシング向けに開発した原子単位の薄さの二次元超高感度半導体材料がヘルスケアから環境保護、法医学部門まで様々な分野のバイオセンシング・テクノロジの領域を押し広げる可能性を持っている。通常乾燥潤滑剤に用いられる二硫化モリブデンまたは輝水鉛鉱 (写真) 型のバイオセンサ材料は高感度のグラフェンを上回る感度でスケーラビリティも良く、大量生産に適している。
この材料に関する研究論文が2014年4月22日付ACS Nanoに掲載され、2014年5月27日付ACS Nanoに訂正が掲載された。研究論文の共同著者で、UCSB, Center for Bioengineeringの化学工学教授とDirectorを兼任するDr. Samir Mitragotriは、｢この発明は、将来的には診断学や生体工学の分野の研究にとって見果てぬ夢だった一分子レベルでの検出を可能にする新世代の低コスト超高感度バイオセンサ開発の礎となるものだ。検出と診断はUCSBの生体工学研究の基幹分野であり、今回の研究も期待の大きいこの分野におけるUCSBの多面的な実力をはっきりと示すものになった｣と述べている。
また、この研究を指導したUCSBのKaustav Banerjee電気・コンピュータ・エンジニアリング教授は、｢この研究のカギは二硫化モリブデンの導電性を決定する禁止帯の特性である｣と述べている。半導体物質は、非常に小さいが完全にはゼロにならない禁止帯という特性を持っており、制御で導電体と絶縁体という2つの状態を切り替えることができる。
この禁止帯が広いほどその物質の2つの状態を切り替えやすく、また絶縁体状態での漏洩電流も抑えることができる。
二硫化モリブデンの禁止帯の広さのため、電流は移動できるが漏洩電流を抑えることが可能で、そのために感度が高く、読みも正確になる。
UCSB, Nanoelectronics Research LabのDirectorも務めるDr. Banerjeeは、｢グラフェンは、その二次元的な特徴でトランジスタのチャネルをゲートによって静電的制御できる優れた特性と、比表面積の大きさから、バイオセンサとしてかなり幅広く関心を集めたが、グラフェン電界効果トランジスタ (FET) バイオセンサは、グラフェンの禁止帯域がゼロという特徴から漏洩電流が大きいために感度が落ち、基本的に限界がある｣と説明している。
グラフェンの用途の一つとしてFETがあるが、この素子は電界中のチャネルを通る電子の流れをゲートと呼ばれる端子に電圧をかけることで制御するものである。デジタル・エレクトロニクスでは、このトランジスタが集積回路内の電流を制御し、増幅やスイッチングという動作を行う。
バイオセンシングの分野では物理的なゲートはなく、チャネル内の電流は、埋め込まれているレセプタ分子と、その分子が接触している電荷標的生体分子との結合によって制御される。グラフェンはバイオセンシングの分野でかなり関心を集めており、チャネルの内側にグラフェンを貼り、センサ・エレメントとして動作させるなどの利用法がある。
このセンサ・エレメントの表面電位差 (または導電性) はレセプタと標的分子の間の相互作用 (共役と呼ばれる) がゲート領域の電荷の純蓄積量になることで制御される。
研究チームは、｢しかし、グラフェンの特性は優れているのだが、禁止帯がゼロという特性から動作にも限界がある。電子はグラフェンFETを自由に移動できるために絶縁体の役目を果たさず、漏洩電流があり、精度としてもかなり落ちることになる｣と述べている。グラフェン研究界でも、この物質の欠陥を補う研究がかなりなされてきた。
その中にはグラフェンをナノリボンのパターンに作ったり、グラフェン層にわざと欠陥を作るという手法、あるいは2層のグラフェンを特定パターンで重ね合わせ、垂直の電場をかけることで禁止帯が開くようにするなど、より正確な制御や電流検出を得る試みがなされている。
そこに二硫化モリブデンが登場してきた。この材料は原子配列が薄い六方晶形構造の二次元形状をしていることなど、グラフェンと似た特徴がある上に半導体として動作するという、グラフェンにはできなかったことができるため、以前から半導体分野で関心が持たれていた。Dr. Banerjeeは、｢単層または2,3層の二硫化モリブデンは、FETバイオセンサ材料としてはグラフェンに比べて重要な利点がある。二硫化モリブデンの禁止帯は比較的大きくしかも均一なため (層数により1.2-1.8 eV)、漏洩電流をかなり抑えると同時にFETのターンオン時の変化が急峻であり、バイオセンサとしての感度を高める結果になる｣と述べている。
Dr. Banerjee研究室の博士課程学生で研究論文の筆頭著者、Deblina Sarkarによると、これまでに述べた特徴に加えて二次元二硫化モリブデンは製造が比較的単純という利点がある。彼女は、｢カーボン・ナノチューブやナノワイヤのような一次元的材料も優れた静電気特性や禁止帯という好条件があるが、製造工程が複雑で安価な大量生産には適していない。
さらに、二硫化モリブデンFETバイオセンサは優れた静電気特性を維持したまま、DNAや小分子タンパク質など小さい生体分子の大きさに近いところまでチャネル長を縮小することができ、生体分子の量子を単一レベルで検出することができるほどの超高感度も可能である｣と付け加えている。
Dr. Banerjeeは、｢実際のところ、原子レベルの厚さの二硫化モリブデンはほとんどすべての面で優れており、超薄型の層になることで静電気特性も優れており、禁止帯の大きさからスケーラビリティも良く、二次元的な特徴のためパターン化も容易で、大量生産には不可欠な条件である｣と述べている。
UCSBの研究チームが研究で使った二硫化モリブデン・バイオセンサは超高感度で特定タンパク質検出を行い、100フェムトモル (1フェムトモルは1,000兆分の1モル) 濃度でも196という感度を示した。このタンパク質濃度は100トンの水にミルクを1滴落としたのと同じ濃度である。同じ研究で、二硫化モリブデン・ベースのpHセンサも幅広いpHレンジ (3-9) 全体にわたり1単位のpH変化に対して713という高感度を達成すると同時に効率良く働いた。
UCSB, Translational Medicine Research Laboratoriesのexecutive director、Dr. Scott Hammondは、｢このまったく新しい技術によって非常に厳密な、低電力、高スループットの生理学的センシングが可能になった。このセンシングは複数の各疾患特有のファクタをリアルタイムに検出させることもできる｣と述べている。通常型FETを用いたバイオセンサは、光学検出方法に比べると対費用効率が高いため、医療、法医学、防犯警備などの部門でも経済性に優れているとして用途が広がっている。
このようなバイオセンサはスケーラビリティも良く、生体分子検出でもラベル付けが不要なため、標的となる分子を蛍光染料でラベル付けするという手順やその経費を省いている。Dr. Hammondは、｢突き詰めると、正真の、データに基づく個別化医療という長年の夢がようやく実現しようとしている｣と述べている。
スイスのÉcole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) の教授を務めるDr. Andras Kisはこのプロジェクトにはまったく関与していないが、｢この研究成果は素晴らしい。これまで世界の研究者が二硫化モリブデン・ナノシートのような二次元半導体材料の実用的な応用を熱心に探ってきたが、Professor Banerjeeと彼の研究チームはこのナノ材料の画期的な応用分野を発見し、低電力、低コスト・タイプの超高感度バイオセンサの開発に弾みをつけることになった｣と述べている。
UCSBのDepartment of Electrical and Computer EngineeringのDr. Wei LiuとDr. Xuejun Xie、Department of Chemical EngineeringのDr. Aaron Anselmoもこの研究に参加した。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください: Ultrasensitive Biosensor from Molybdenite Semiconductor Has Potential for Single Molecule Detection
