細胞表面電位を高感度・高分解能に画像化する力計測技術の開発

• Project/Area Number: 19021032
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 菅原 康弘 Osaka University, 大学院・工学研究科, 教授 (40206404)
• Project Period (FY): 2007 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥4,400,000 (Direct Cost: ¥4,400,000); Fiscal Year 2008: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2007: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
• Keywords: 力計測 / 表面電位 / 細胞表面 / 親水性 / 疎水性 / 原子間力顕微鏡 / フォトクロミック材料 / 光異性化反応

Research Abstract

細胞のシステムとしてのメカニズム解明の鍵を握る性質の1つと考えられるのは、細胞表面の局所的なイオンチャネルや親水性/疎水性などに関連した電位情報である。細胞を生きたまま観察できる原子間力顕微鏡に、表面電位を計測する機能が付加されれば、生体細胞ダイナミクスの本質を探ることができる。本研究の目的は、『探針や細胞表面との間で電荷の授受を行うことなく、細胞の表面電位を高感度・高分解能に画像化すう新しい計測技術を開発すること』である。具体的には、光異性化反応で分極の有無が切り替わるフォトクロミック材料で顕微鏡探針を修飾し、外部からの刺激光により探針の分極を切り替えることにより、細胞表面の電位を計測するという新しい原理に基づく計測技術を開発することをめざす。具体的には、以下の課題について検討した
1. 現有の原子間力顕微鏡において、溶液中に置かれた探針の先端にレーザ光を集光することが困難である。溶液セルの形状を工夫・最適化することにより、効率的にレーザ光を集光できるようにした。また、分極に変調を与えられるように、レーザ光をスイッチング制御できるように制御システムを改良した。
2. Siからなる顕微鏡探針を実際にフォトクロミック材料で修飾して、分極変化による電位変化を検出できるかどうかを検討した。具体的には、試料として導電性試料を取り上げ、探針・試料間に静電気力が作用している状態で制御光を変化させ、探針の分極変化による変調成分が電位として検出させることを確認した。
3. 溶液中において細胞表面の電位を計測できることを明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Influence of Si Cantilever Tip with/without tungsten coating on NC-AFM Imaging of Ge(001)Surface (2009)
  • Author(s): Y. Naitoh, Y. Kinoshita, Y. J. Li, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Nanotechnology (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of atomic force microscope with wide-band magnetic excitation for study of soft matter dynamic (2009)
  • Author(s): M. Kageshima, T. Chikamoto, T. Ogawa, Y. Hirata, T. Inoue, Y. Naitoh, Y. J. Li, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments 80(2)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic-Scale Imaging of B/Si(111)√<3>×√<3> Surface by Noncontact Atomic Force Microscopy (2008)
  • Author(s): M. Kinoshita, Y. Naitoh, Y. J. Li, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. 47(10B) Pages: 8218-8220
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-speed Phase-Modulation Atomic Force Microscopy in Constant-Amplitude Mode Capable of Simultaneous Measurement of Topography, and Energy Dissipation (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, N. Kobayashi, H. Nomura, Y. Naitoh, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. 47(7B) Pages: 6124-6124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study of oxidized Cu(110)surface using noncontact atomic force microscopy (2008)
  • Author(s): S. Kishimoto, M. Kageshima, Y. Naitoh, Y. J. Li, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Surf. Sci. 602 Pages: 2175-2182
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase Modulation Atomic Force Microscopy(PM-AFM)in Constant Excitation Mode Capable of Simultaneous Imaging of Topography and Energy Dissipation (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, N. Kobayashi, Y. Naitoh, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 92(12)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Investigation on Force Sensitivity in Q-Controlled Phase-Modulation Atomic Force Microscopy in Constant-Amplitude Mode (2008)
  • Author(s): N. Kobayashi, Y. J. Li, Y. Naitoh, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: J. Appl. Phys. 103(5)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Investigation on Force Sensltivity in Q-Constant Excitation Mode Capable of Simultaneous Imaging of Topography and Energy Dissipation (2008)
  • Author(s): N., Kobayashi・Y.J., Li・Y., Naitoh・M., Kageshima・Y., Sugawara
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase Modulation Atomic Force Microscopy (PM-AFM) in Constant Excitation Mode Capable of Simultaneous Imaging of Topography and Energy Dissipation (2008)
  • Author(s): Y.J, Li・N., Kobayashi・Y., Naitoh・M., Kageshima ・Y., Sugawara
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elimination of Instabilities in Phase Shift Curves in Phase Mod ulation Atomic Force Microscopy in Constant Amplitude Mode (2007)
  • Author(s): Y, Sugawara, et. al.
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 90 Pages: 1941041-3
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Multi-functional High-speed Phase Modulation AFM with Topography, Energy Dissipation and Elasticity (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, et.al.
  • Organizer: 16th International Conference on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: 熱川ハイツ
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] Development of Simultaneous Imaging Method of Viscoelasticity in Multifrequency High-Speed Atomic Force Microscopy (2008)
  • Author(s): T. Takahashi, et.al.
  • Organizer: 16th International Conference on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: 熱川ハイツ
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] Local Potential Mapping Using Surface Photovoltage in Liquid (2008)
  • Author(s): N. Kobayashi, et.al.
  • Organizer: 16th International Conference on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: 熱川ハイツ
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] Development of Multi-functional High-speed Phase Modulation AFM in Liquids (2008)
  • Author(s): Y. J Li, et.al.
  • Organizer: 5th International Symposium on Surface Science and Nanotechnology
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2008-11-10
• [Presentation] Development of High-speed Phase Modulation AFM in CA mode in Liquid (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, et.al.
  • Organizer: 11^<th> International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: Madrid, Spain
  • Year and Date: 2008-09-16
• [Presentation] Development of Multi-functional High-speed Phase Modulation AFM in Liquid (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, et.al.
  • Organizer: International Conference on Nanoscience+Techtology 2008
  • Place of Presentation: Keystone, USA
  • Year and Date: 2008-07-25
• [Presentation] 不安定性のない振動振幅一定・位相変調方式AFMの提案 (2007)
  • Author(s): 菅原康弘, ら
  • Organizer: 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-06
• [Presentation] Q値制御法を用いた振動振幅一定モード位相変調方式AFMの解析 (2007)
  • Author(s): 小林成貴, ら
  • Organizer: 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-06
• [Book] ナノテクノための物理入門 (2007)
  • Author(s): 菅原康弘
  • Total Pages: 239
  • Publisher: 共立出版
• [Remarks]
  • URL: http://nanophysics.ap.eng.osaka-u.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://www.eng.osaka-u.ac.jp/ap1/g3/sugawaralab/