ナノレーザによる極微光増強場の形成と高性能・高機能バイオセンシングシステムの開発

• Project/Area Number: 12J04482
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Microdevices/Nanodevices
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 北 翔太 横浜国立大学, 工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012 – 2014-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: フォトニック結晶 / フォノニック結晶 / 光機械結合 / 質量分析 / MEMS/NEMS / メタマテリアル / シリコンCMOS / ラベルフリーバイオセンサ / ナノ光共振器 / フォノンレーザ / MEMS・NEMS

Research Abstract

生化学分析において多用される質量分析装置の小型・低コスト化・高性能化は近年においても重要であり, それに関する研究分野の発展, アプローチの多様化は目覚ましい. 近年マイクロ・ナノ電気機械システムを応用した質量分析システムがCaltechグループにより提案・開発された. 同グループはNEMS共振器により数100分子量オーダの質量分解能をもつ単一分子センシングおよび質量分析を実証した. また別のグループによってカーボンナノチューブを中空加工した超小型振動子による分解能が1陽子質量相当のものが発表された. ただし分解能と歩留まりのバランスはまだ追究の余地があり, トップダウンで安定した性能の分析装置をニーズに合わせてCMOSプロセスをべ一スに作ることが産業化に発展するための要件であると考える. またMEMSにおいてはいずれも実験値で得られる分解能は理論予測されたものよりも1桁から2桁ほど悪く, 電気的なノイズがその要因であると考えられている.
そこで本研究は, 光入力で遠隔的に駆動するNEMS共振器をフォトニックナノ構造ベースとした質量分析を実証することを目指す. 一般に機械振動モードが小さいほど分子が吸着したときの応答量, すなわち感度が増大する. したがって微小な機械振動モードをそれに近い分布をもつ光学モードが誘起する光機械結合効果によって選択的に励起することでMEMSよりも低ノイズな振動子を目指し, 「数10から数分子量オーダの質量分析装置」の実現が目標である. 現在それに適した構造を見出し, 製作と実験を進めている段階である.
以上に加え, 他のグループと共同でフォトニック結晶のアプローチによるオンチップ屈折率ゼロ媒体の作製・実証も並行して手がけている. グラフェンで見られるバンドの縮退による現象のアナロジーを光子に対して適用することで, 特異な周波数の光の感じる屈折率を実部虚部ともにゼロにすることができる. こちらはもう実験結果もほぼ出揃い, 論文投稿間近である.

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

現在も引き続きHarvard大学Loncarグループにてポスドクを継続しているが, 以上に示した両プロジェクトともにようやく調子が出てきたので引き続きポスドクとして直接雇ってもらう道を選択した. 目標達成のためのメソッドはほぼ出揃い, 年内にはすべてのプロジェクトを終わらせることが可能だと考えているが, それにプラスアルファで自分自身の領城を深める作業が必要であると考えている.

Strategy for Future Research Activity

すでに作成されているデバイスの測定方法について別の方法が考えられるのでそれをまず試し, 思惑通りの結果がでれば真空中でターゲットとされる微小な機械振動モードが観測されるかどうか確かめる. そもそも現状のデバイスは設計値と製作値に大きなズレが生じてしまっているので, 新たなデバイスを作製する可能性が濃厚である. 屈折率ゼロ媒体に関しては測定に必要な追加装置を借り入れ, または構築して完全なデータを取り切り次第論文投稿する予定である.

Research Products

• [Journal Article] High sensitivity and high Q-factor nanoslotted parallel quadrabeam photonic crystal cavity for real-time and label-free sensing (2014)
  • Author(s): D. Yang, S. Kita, F. Liang, C. Wang, H. Tian, Y. Ji, M. Loncar, and Q. Quan
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: (印刷中)(アクセプト済,発刊待ち)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective detection of sub-atto-molar streptavidin in 10^13-fold impure sample using photonic crystal nanolaser sensors (2013)
  • Author(s): S. Hachuda, S. Otsuka, S. Kita, T. Isono, M. Narimatsu, K. Watanabe, Y. Goshima and T. Baba
  • Journal Title: Optics Express Volume: 21 Pages: 12815-12821
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 実部・虚部ゼロ屈折率の提案と製作 (2014)
  • Author(s): 北 翔太, Yang Li, Philip Munoz, Orad Reshef, Daril Vulis, Eric Mazur, Marko Loncar
  • Organizer: 春季応用物理学会
  • Place of Presentation: 青山学院大学, 神奈川
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] 部分スロットナノビーム光機械振動子の追究 (2014)
  • Author(s): 北 翔太, Mike Burek, Daquan Yang, Marko Loncar
  • Organizer: 春季応用物理学会
  • Place of Presentation: 青山学院大学, 神奈川
  • Year and Date: 2014-03-17
• [Presentation] 高機械Q値のための音叉型ナノビーム振動子の提案 (2014)
  • Author(s): 北 翔太, Marko Loncar
  • Organizer: 春季応用物理学会
  • Place of Presentation: 青山学院大学, 神奈川
  • Year and Date: 2014-03-17
• [Presentation] Nanobeam Transducer Based on Photonic Crystal Nanocavities toward Ultlahigh Sensitive Mass Spectrometry (2013)
  • Author(s): Shota Kita, Daniel Vega Ramos, Ian Frank, Parag Deotare, Michael Burek, Cheng Wang, Marko Loncar
  • Organizer: MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: ボストン, 米国
  • Year and Date: 2013-12-04
• [Presentation] 単一質量分析に向けた光機械スロットビーム振動子 (2013)
  • Author(s): 北 翔太, Daniel Ramos, Ian Frank, Parag Deotare, Mike Burek, Cheng Wang, Marko Loncar
  • Organizer: 秋季応用物理学会
  • Place of Presentation: 同志社大学, 京都
  • Year and Date: 2013-09-18
• [Presentation] Photonic crystal nanoslot nanolaser for ultra-high sensitivity and selectivity protein sensing (2012)
  • Author(s): Shota Kita, et. al.
  • Organizer: IEEE Int. Semicon. Laser. Conf.
  • Place of Presentation: San Diego, US
  • Year and Date: 2012-10-10
• [Presentation] Photonic crystal nanoslot nanolaser array for statistical analysis of protein detect (2012)
  • Author(s): Shota Kita, et. al
  • Organizer: Int. Sympo. Photonic and Electromagnetic Crystal Structures
  • Place of Presentation: Santa Fe, US
  • Year and Date: 2012-06-07
• [Remarks]
  • URL: http://nano-optics.seas.harvard.edu/kita.html
• [Remarks]
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Shota_Kita
• [Remarks]
  • URL: https://www.linkedin.com/pub/shota-kita/27/554/647
• [Remarks]
  • URL: http://nano-optics.seas.harvard.edu/.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.arakawa-lab.ynu.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] Integrated Impedance-Matched Photonic Zero Index Meta-Materials (2014)
  • Inventor(s): Eric Mazur, Shota Kita, Yang Li, Marko Loncar, Philip Munoz, Orad Reshef, Daryl Vulis
  • Industrial Property Rights Holder: Eric Mazur
  • Filing Date: 2014-01-31
  • Overseas