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バイオセンサーの先端科学技術と応用(普及版)

  • Biosensor Development with Advanced Science and Technology(Popular Edition)
2007年刊「バイオセンサーの先端科学技術と応用」の普及版。「要素技術」、「デバイス開発(新型デバイス、作製法)」、「応用」の3編構成で疾病やストレスの診断、環境への応用等の研究開発情報を収載!

商品コード: B1100

  • 監修: 民谷栄一
  • 発行日: 2014年10月8日
  • 価格(税込): 5,616 円
  • 体裁: B5判、320ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0903-3
こちらの書籍については、お問い合わせください。
  • バイオセンサー / 生体分子モーターデバイス / テラヘルツ波デバイス / 非侵襲計測用バイオセンサ / バイオトランジスタ / ストレス計測 / 高速イムノアッセイ / ガン診断 / 食品応用,農薬・環境汚染センサー

刊行にあたって

 バイオセンサー先端科学技術とは、生物の有する認識機構にならってセンシングを行なうための基礎と応用を目指す研究分野である。たとえば、感覚を担う感覚細胞の例として味がどのように認識されているかを示すと、味覚である甘味、苦味、塩味に対応する物質が舌にある味覚細胞に捉えられ、味覚細胞の細胞膜を構成しているレセプタータンパク質や脂質分子によって受容される。このレセプター分子と味覚分子との結合が開始信号となり、その信号が細胞内部へ伝わる。特に膜電位変化などとして、細胞内へ伝播され、シグナル伝達が行われる。神経細胞で受容された信号も電気信号として神経細胞間を伝送される。このように特定物質のレセプターによる認識と、それに引き続いて起こる情報変換の作用により信号が伝達される。このことは細胞の種類に関わらず、生物の情報の認識、伝達に関わる一般的な現象と考えられる。
 バイオセンサーはこうした生物のもつ分子認識機構に基づいて構築されている。すなわち、分子認識膜とトランスジューサー(信号変換装置)から構成されている。この組み合わせにより分子認識反応電気信号へ変換される。変換された電気信号は状況に応じて信号処理される。
 バイオセンサー先端科学分野においては(1)バイオ認識分子の選択・分子設計、(2)トランスジューサーの選択・新デバイス開発、(3)認識分子とトランスジューサーの連携、(4)機能性インタフェースの設計、(5)信号処理法の開発および各種分野への応用、などの課題がとりあげられ研究が進められている。
 以上、示した例以外にも多くの試みがなされており、これらの状況をふまえて本書では、各方面の先鋭の専門家の協力により取り上げた31の課題を、「I編 要素技術―ナノマテリアルの利用、分子認識素子の設計―」、「II編 デバイス開発―新計測デバイス、作成法―」、「III編 応用―健康医療、環境計測、食品安全、基礎研究ツール―」に分類して記載した。これらの内容が読者の関心や疑問に応えることができ、有効に活用されることを心より切望している。
(「刊行あたって」より一部抜粋)

2007年12月  大阪大学 民谷栄一


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2007年に『バイオセンサーの先端科学技術と応用』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2014年10月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

民谷栄一   大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 教授
遠藤達郎   東京工業大学 大学院総合理工学研究科 メカノマイクロ工学専攻 助教
近江みゆき   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 研究員
朝日剛   大阪大学 大学院工学研究科 准教授
前之園信也   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 准教授
玉田靖   (独)農業生物資源研究所 絹タンパク素材開発ユニット ユニット長
阿部智行   (株)リボミック 開発研究部 主任研究員
山崎聡子   (株)リボミック 探索研究部 主任研究員
中村義一   (株)リボミック;東京大学 医科学研究所 基礎医科学大部門 教授
三浦佳子   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 准教授
竹内俊文   神戸大学 工学研究科 応用化学専攻 教授
菱谷隆行   神戸大学 自然科学系先端融合研究環 助教
松井淳   甲南大学 先端生命工学研究所 准教授
竹内昌治   東京大学 生産技術研究所 マイクロメカトロニクス国際研究センター 准教授
山崎智彦   (独)物質・材料研究機構 生体材料センター 細胞センシンググループ 主幹研究員
早出広司   東京農工大学大学院 共生科学技術研究院 教授
黒田章夫   広島大学 大学院先端物質科学研究科 教授
山村晃   神奈川工科大学 工学部 応用化学科 講師
森田資隆   近畿大学 産業理工学部 生物環境化学科 講師
前橋兼三   大阪大学 産業科学研究所 助教
萩行正憲   大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター 教授
谷正彦   大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター 准教授
尾内敏彦   キヤノン(株) 先端技術研究本部 先端融合研究所 テラヘルツ研究室 室長
福島均   セイコーエプソン(株) フロンティアデバイス研究所 主任研究員
三林浩二   東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 教授
斎藤真人   大阪大学 大学院工学研究科 特任研究員
岩崎弦   日本電信電話(株) NTTマイクロシステムインテグレーション研究所 主任研究員
宮原裕二   (独)物質・材料研究機構 生体材料センター バイオエレクトロニクスグループ ディレクター
脇田慎一   (独)産業技術総合研究所 ヒューマンストレスシグナル研究センター 研究チーム長
山村昌平   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 助教
岩田恵助   パルスイムノテック(株) 取締役 技術担当副社長
森田敏樹   エスシーワールド(株) システム応用事業部 部長
末岡宗廣   エスシーワールド(株) 代表取締役社長
Minhaz Uddin  Ahmed   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科
牛島ひろみ   (有)バイオデバイステクノロジー 企画部長
永谷尚紀   岡山理科大学 工学部 バイオ・応用化学科 准教授
阪口利文   県立広島大学 生命環境学部 環境科学科 准教授
若山純一   (独)農業・食品産業技術総合研究機構 食品総合研究所 食品工学研究領域 ナノバイオ工学ユニット 特別研究員
大谷敏郎   農林水産省 農林水産技術会議事務局 研究開発企画官
杉山滋   (独)農業・食品産業技術総合研究機構 食品総合研究所 食品工学研究領域 ナノバイオ工学ユニット ユニット長
高村禅   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 准教授

執筆者の所属表記は、2007年当時のものを使用しております。

目次

【第I編 要素技術―ナノマテリアルの利用、分子認識素子の設計―】
第1章 フォトニック結晶を用いたセンシング
1. はじめに
2. ナノ粒子を用いたフォトニック結晶とセンシングへの応用
2.1 ナノ粒子より発現される特異的な特性
2.2 ナノ粒子を用いたフォトニック結晶
3. フォトニック結晶センシングデバイスへの応用
3.1 ナノ粒子を用いたフォトニック結晶センシングデバイスの作製と特性評価
3.2 フォトニック結晶センシングデバイスを用いた揮発性有機化合物の検出と定量
4. おわりに

第2章 高性能印刷電極とバイオセンサー応用
1. はじめに
2. バイオセンサーのための量産型電極
2.1 スクリーン印刷
2.2 量産型電極の特性と表面修飾
3. バイオセンサー応用
3.1 金ナノ粒子を利用したイムノセンサー
3.2 DNAセンサー
4. おわりに

第3章 単一金ナノ粒子の分光センシング
1. はじめに
2. 金ナノ粒子による分光センシング
2.1 局在表面プラズモン共鳴
2.2 金ナノ粒子によるバイオセンシング
2.3 細胞イメージング
3. 単一金ナノ粒子センシング・イメージング
3.1 顕微光散乱分光
3.2 単一金ナノ粒子分光センサー
3.3 共焦点顕微分光・イメージング
4. おわりに

第4章 半導体ナノ粒子を用いたバイオセンサー
1. はじめに
2. CdSe/ZnS QDへのバイオコンジュゲーション
3. 蛍光消光型バイオセンサー
4. 波長変換型バイオセンサー
5. その他のバイオセンサー

第5章 昆虫感覚機能利用バイオセンサー
1. はじめに
2. 感覚機能の利用のための設計
3. 昆虫味覚受容システムの利用の試み
4. リポソームへの昆虫味覚システムの固定化
5. 昆虫味覚バイオセンサーのデバイス化
6. おわりに

第6章 アプタマーを用いたバイオセンサー
1. はじめに
2. アプタマーについて
2.1 取得方法/SELEX法
2.2 アプタマーの特性
3. バイオセンサーへの応用
3.1 チップ/マイクロアレイ
3.2 PDL法
3.3 金ナノ粒子を用いたセンサー
3.4 リアルタイムRCA法
3.5 アプタマービーコン/FRET
3.6 in vivoイメージング
4. おわりに

第7章 糖を用いたバイオセンシング
1. はじめに
2. 糖鎖及び多糖類の検出と同定
2.1 糖鎖の検出の必要性と実際
2.2 糖鎖の検出方法 
3. レクチンを用いたバイオセンシング
4. 生理活性糖鎖と病原体の相互作用を用いた分析および検出
4.1 糖鎖を用いた志賀毒素の検出
4.2 糖鎖の認識構造の分析とその利用
4.3 糖鎖ナノ材料の合成とバイオセンシング
5. おわりに

第8章 分子インプリント材料を分子認識素子として用いたセンサー
1. センサー素子としての分子インプリント材料
2. 低分子をターゲットとする認識材料の構築
2.1 分子インプリント材料の設計・合成
2.2 分子インプリント材料を用いるバイオセンサーの構築
2.3 ナノコンポジット材料を用いるバイオセンサー
3. 生体高分子をターゲットとする認識材料の構築
3.1 分子インプリント法を用いたタンパク質認識ヒドロゲル
3.2 タンパク質表面インプリンティング
3.3 無機材料を使ったインプリント法
3.4 アレイ化への発展
4. まとめ

第9章 生体分子モーターデバイス
1. はじめに
2. 生体分子モータ
3. 生体分子モータを利用したMEMSデバイス群
4. おわりに

第10章 酵素機能のタンパク質工学とバイオセンサーへの応用
1. はじめに
2. タンパク質工学の手法を用いた酵素の機能改変
2.1 触媒効率
2.2 基質特異性
2.3 安定性
2.4 電子伝達能
3. グルコース脱水素酵素のタンパク質工学的手法による機能改良とセンサーへの応用
3.1 PQQGDH-Bの特徴および立体構造
3.2 基質特異性の改良
3.2.1 Direct evolutionによる基質特異性の改良
3.2.2 Rational designによる基質特異性の改良
3.3 熱安定性の向上
3.4 人工電子伝達サブユニットの融合による電子伝達機能の付加
4. おわりに

第11章 シリカ結合タンパク質を用いたシリコン基板へのバイオ分子固定化技術
1. はじめに
2. シリコン粒子結合タンパク質
3. シリカ結合タンパク質のバイオセンサーへの利用
4. 抗体の固定化
5. おわりに

第12章 新規酵素の探索とバイオセンサー
1. はじめに
2. 新規酵素の探索
2.1 既知酵素の情報検索
2.2 新規酵素を探索する対象
2.3 新規酵素の探索における注意点
2.4 新規酵素の探索方法
2.4.1 寒天平板培地を用いた酵素の探索
2.4.2 基質を資化する微生物からの酵素の探索
2.4.3 オキシダーゼの探索
2.4.4 デヒドロゲナーゼの探索
2.4.5 生成物確認による新規酵素の探索
2.4.6 酵素遺伝子の相同性を利用した新規酵素の探索
3. 酵素の精製と特性評価および大量発現系の構築
3.1 新規酵素の最適産生条件の検討
3.2 新規酵素の精製
3.3 新規酵素の酵素化学的特性の評価
3.4 大量発現系の構築
4. バイオセンサーへの応用
4.1 フローインジェクションアナリシス(FIA)システム
4.2 半導体微細加工技術を応用したバイオセンサー

第13章 コンビナトリアルペプチドを用いたバイオセンシング
1. はじめに
2. 分子認識材料としてのペプチド
3. ダイオキシン計測への応用
4. フラーレンの分子認識への応用
5. P19胚性腫瘍細胞の細胞認識への応用
6. おわりに

【第II編 デバイス開発―新計測デバイス、作製法―】
第1章 カーボンナノチューブ電界効果トランジスタとバイオセンサーへの応用
1. はじめに
2. カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ
3. バイオセンサー
4. おわりに

第2章 テラヘルツ波デバイスを用いたバイオ分析
1. テラヘルツ波とは
2. テラヘルツ分光法と生体分子への応用
3. 生体分子センシング用デバイス 
3.1 メンブレンデバイス
3.2 集積センサーチップ
4. 将来展望

第3章 新型バイオデバイス
1. はじめに
2. バイオインターフェース
2.1 SAM応用
2.2 ナノ微粒子応用
3. 検出信号処理部
4. まとめ

第4章 非侵襲計測用バイオセンサ
1. はじめに
2. Soft-MEMS技術を利用したウエアラブル化学/バイオセンサ
2.1 ウエアラブル酸素センサと結膜経皮ガス計測
2.2 ウエアラブルグルコースセンサ
3. バイオスニファ(生化学式ガスセンサ)
3.1 酵素を用いた生化学式ガスセンサ
3.2 薬物代謝酵素を用いたバイオスニファ
3.3 スティック型バイオスニファと呼気計測によるアルコール代謝機能評価
4. おわりに

第5章 プラズモンバイオチップ
1. バイオセンサーとLSPR
2. 金属ナノ周期構造体を用いたLSPRチップの作製
2.1 金キャップナノ粒子構造チップ
2.2 金キャップナノホール構造チップ
3. プラズモンバイオチップの作製および諸特性
4. プラズモンバイオチップによる非標識生体分子相互作用の検出
4.1 抗原・抗体反応の非標識検出および定量
4.2 プラズモンバイオチップを用いたDNAの非標識検出および定量

第6章 一細胞・一分子DNA解析マイクロチャンバーアレイ
1. はじめに
2. マイクロチャンバーアレイの作製と実験方法
3. 単一染色体および単一細胞からのDNA増幅と解析
4. おわりに

第7章 SPRを使ったバイオセンシング
1. 屈折率測定によるバイオセンシング
2. SPRの特性
3. SPRの装置構成
4. SPRイメージング測定
5. 小型SPR装置
6. バイオセンサーへの応用
7. まとめ

第8章 バイオトランジスタ
1. はじめに
2. 遺伝子トランジスタによる分子認識反応検出の基本原理
3. 実験方法の概要
3.1 FETチップ
3.2 DNAプローブの固定化
3.3 ハイブリダイゼーション
3.4 DNAバインダーとの反応
3.5 DNA伸長反応
4. 分子認識反応の検出
5. 遺伝子FETによる一塩基多型の検出
6. 遺伝子FETを用いたDNAシーケンシング
7. 固/液界面の電気二重層の影響
8. おわりに

【第III編 応用―健康医療、環境計測、食品安全、基礎研究ツール―】
第1章 MEMSバイオチップを用いたストレス計測
1. はじめに
2. ストレス計測の現状と課題
2.1 ストレス計測技術
2.2 非侵襲的な生体試料を用いるストレス計測技術
3. 唾液ストレス計測バイオチップの研究開発戦略
4. 唾液s-IgA計測用ラボチップの研究開発
4.1 電気泳動型ラボチップによるs-IgA迅速アッセイ法の開発
4.2 遠心力駆動型ラボディスクによるs-IgA迅速アッセイ法の研究
5. 電気泳動型ラボチップによる唾液NO代謝物アッセイ法の開発と運動ストレス検証研究
6. おわりに

第2章 電気泳動チップを用いた血中コレステロールのセンシング
1. はじめに
2. 電気泳動チップを用いた血中コレステロールの測定
2.1 コレステロールの分析方法
2.2 電気泳動法によるコレステロール分析
2.3 電気泳動チップを用いたコレステロール分析
3. おわりに

第3章 誘電泳動デバイスを用いた高速イムノアッセイ(パルスイムノアッセイ)
1. はじめに
2. パルスイムノアッセイ法のメカニズム
3. 抗ヒトAFP抗体感作ラテックス試薬を用いたパルスイムノアッセイの実験
4. パルスイムノアッセイ法の特徴
5. パルスイムノアッセイ法の応用

第4章 シングルセルチップシステムとその医学応用
1. はじめに
2. スクリーニングの原理
2.1 カルシウム法
2.2 蛍光標識抗原法
3. SC@ Scanner
3.1 マイクロウェルアレイチップ
3.2 SC@ Scanner
4. Cellporter
5. 医学への応用
5.1 抗体医薬
5.2 診断・治療

第5章 Portable electrochemical DNA sensor for medical and food monitoringapplications
     (ポータブル型遺伝子センサーの開発と医療診断、食品計測への応用)
1. Introduction
2. DNA sensor for SNP typing
2.1 Allele-specific primer polymerase chain reaction(ASP PCR) of the apolipoprotein E gene
2.2 PCR products analysis
3. DNA Sensor applied for rapid identification of bovine constituentsin feedstuffs
4. GMO-sensor based on loop mediated isothermal amplification(LAMP)
5. Future directions
 
第6章 ガン診断用高感度イムノクロマトテストストリップ
1. はじめに
2. イムノクロマトテストストリップの高感度化
2.1 イムノクロマト法
2.2 増感剤を用いる高感度化法
2.3 金ナノ粒子の配置制御による高感度化法
3. PSA検出への応用
4. おわりに

第7章 酵素活性阻害を利用した農薬センサー
1. はじめに
2. 農薬分析の現状
3. 酵素活性阻害を利用した農薬センサー
3.1 電気化学的手法を用いた農薬センサー
3.2 電気化学的手法以外の農薬センサー
4. おわりに

第8章 微生物チップによる環境汚染センサー
1. はじめに
2. 発光細菌固定化チップによるオンサイト環境計測システムの概要
3. 発光細菌固定化チップによるオンサイトBOD計測
4. 毒物検出センサーとしての利用
5. 発光細菌チップの保存と再活性化
6. おわりに

第9章 SPMナノセンサーと食品応用
1. はじめに
2. 従来のアレルゲン検出技術
3. 走査型プローブ顕微鏡(SPM)によるアレルゲン検出の原理
4. 走査型プローブ顕微鏡(SPM)によるアレルゲン検出の実際
4.1 基板への抗原の固定
4.2 カンチレバー上への抗体の固定
4.3 SPMによる抗体抗原反応の計測
4.4 測定溶液条件の検討とアレルゲンの検出
5. 今後の展望

第10章 カーボンナノチューブを用いたアンペロメトリック型バイオセン
1. はじめに
2. 直接成長カーボンナノチューブ電極の作製と評価
3. カーボンナノチューブ電極によるアミノ酸の直接検出
4. カーボンナノチューブ電極を用いたタンパク質の非標識検出
5. ポンプ内蔵型バイオセンサー
6. おわりに
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