特別WEBコラム　新型コロナウィルス禍に学ぶ応用物理 インピーダンスでPCRをモニターする：ウイルス検出小型・可搬型リアルタイムPCRの実現へむけて アブストラクト 山下一郎，信澤和行，Huanwei Han 大阪大学

電解液と電極が接した面の性質を調べる方法のひとつが「電気化学インピーダンス分光法」（Electrochemical Impedance Spectroscopy）です．英語の頭文字を取って，単にEISとも呼ばれます．主に，リチウム電池などの特性評価，金属材料やコーティング剤の腐食性の評価，めっき工程の評価などに使われています．

電極に微小な交流電圧を加え，電圧の周波数を数百kHz程度から0.1Hz程度にまで順に下げていき，電極を流れる電流の振幅と位相からインピーダンスを求め，その関係をグラフにプロットします．グラフには，縦軸にインピーダンスの虚数成分，横軸にインピーダンスの実数成分をそれぞれ割り当てたナイキスト・プロットが一般に用いられます．こうしたグラフから，たとえば電池における電流の流れやすさなどが解析できます．

図　（左図）電気化学インピーダンス分光法の原理．電極間に交流電圧を印加してインピーダンスを測定しナイキスト図にプロットすることで，特性をRCなどの等価回路として把握できる．（右図）dsDNAと相互作用するRu錯体によるインピーダンス変化．Ru錯体はPCRにより増幅されるdsDNAに取り込まれる性質を持ち，PCR進行がインピーダンスでモニターできる．

電気化学インピーダンス分光法はバイオセンシング分野でも活用されています．検出したい物質と結合する物質を電極に付着させておくと，測定したインピーダンスから，液中に含まれる物質の濃度が分かります．本稿は，新しい発見を基に新規開発したEIS測定法を，PCR（ポリメラーゼ連鎖反応）のモニターに用いたものです．

PCRとは，ウイルスや細菌などのDNAを検体とし，ターゲットのDNA断片を数百万本から数千万本にまで増幅（増殖）させて蛍光物質を用いて検出する方法です．検査対象のDNAの増幅を蛍光法の代わりにインピーダンスで捉えられれば，電気的な判定が可能になります．これにより複雑高価な光学系が不要となり装置の大幅な簡素化・小型化，低価格化，検査の効率化が図れます．

最近，dsDNAと結合するように設計した微量のルテニウム錯体イオン（Ru(bpy)₂DPPZ²⁺）が，ヘキサシアノ鉄イオン（[Fe(CN)₆]^3-/4-）と共同して働きインピーダンスを大幅に減少させることが見出されました．この2つのイオンをPCR溶液に添加してPCR処理を行ったところ，PCRの温度サイクルに応じてインピーダンスの変化が観測されています．

安価な塗布型電極，PCR溶液を扱う流路システム，インピーダンス測定回路などを組み合わせることで，PCR装置の小型・携帯化を実現できる可能性があります．