Investigations on Energy Dissipation Mechanisms in Atomic Force Microscopy in Liquids

• Project/Area Number: 19H02598
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Kobayashi Kei 京都大学, 工学研究科, 准教授 (40335211)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2019: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
• Keywords: 原子間力顕微鏡 / 固液界面 / エネルギー散逸

Outline of Research at the Start

最近、液中で動作する周波数変調原子間力顕微鏡（FM-AFM）を用いて、原子・分子レベルでの表面構造、水和・溶媒和構造、電荷分布が可視化できるようになってきた。一般に、AFM探針と試料との間にはたらく相互作用は保存的相互作用と散逸的相互作用に分けられるが、これまではこれらを分離して計測することが困難であった。本研究課題では、散逸的相互作用を高精度に分離測定し、散逸的相互作用から試料の構造・水和・電荷・機械的特性（機械的安定性や粘弾性）・生体分子間相互作用等に関する情報を得る技術を開発する。

Outline of Final Research Achievements

We performed three-dimensional force mapping experiments on streptavidin protein molecules attached to DNA origami sheet, and revealed the relationship between the exerted force and the deformation of the molecule during force mapping. We also estimated the surface charge density on the streptavidin. We clarified the disruption and formation processes of the micelles of the sodium dodecyl sulfate (SDS) formed on graphite by the dissipation measurements. We also visualized the hydration shell on the bacteriorhodopsin in purple membrane in KCl aqueous solutions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

固液界面は、結晶成長や触媒反応などのさまざまな物理・化学反応の反応場として、また一方、生体分子が機能を発現する活性場として極めて重要な役割を担っている。本研究で明らかにされた固液界面、生体分子表面の原子・分子レベルの構造や水和構造、また散逸エネルギー解析によって明らかとなった粘性との相関に関する知見により、固液界面における物理・化学反応を利用したデバイスの高機能化や、生体分子機能の理解に繋がることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] Nanomechanics of self-assembled surfactants revealed by frequency-modulation atomic force microscopy (2022)
  • Author(s): Umeda Kenichi、Kobayashi Kei、Yamada Hirofumi
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 14 Issue: 12 Pages: 4626-4634
  • DOI: 10.1039/d2nr00369d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structured Water Molecules on Membrane Proteins Resolved by Atomic Force Microscopy (2022)
  • Author(s): Ido Shinichiro、Kobayashi Kei、Oyabu Noriaki、Hirata Yoshiki、Matsushige Kazumi、Yamada Hirofumi
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 22 Issue: 6 Pages: 2391-2397
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface charge density measurement of a single protein molecule with a controlled orientation by AFM (2021)
  • Author(s): Yamamoto Yuki、Kominami Hiroaki、Kobayashi Kei、Yamada Hirofumi
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 120 Issue: 12 Pages: 2490-2497
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2021.04.016
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic-level nature of solid/liquid interface for energy conversion revealed by frequency modulation atomic force microscopy (2021)
  • Author(s): Minato Taketoshi、Umeda Kenichi、Kobayashi Kei、Araki Yuki、Konishi Hiroaki、Ogumi Zempachi、Abe Takeshi、Onishi Hiroshi、Yamada Hirofumi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SE Pages: SE0806-SE0806
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abffa2
  • NAID: 120007181725
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular-Scale Solvation Structures of Ionic Liquids on a Heterogeneously Charged Surface (2020)
  • Author(s): Yuki Yamamoto, Hiroaki Kominami, Kei Kobayashi, and Hirofumi Yamada
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 11 Issue: 19 Pages: 8094-8099
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02356
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic-Scale Three-Dimensional Local Solvation Structures of Ionic Liquids (2020)
  • Author(s): Umeda Kenichi、Kobayashi Kei、Minato Taketoshi、Yamada Hirofumi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 11 Issue: 4 Pages: 1343-1348
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b03874
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental study on molecular fluctuations of biomolecules by force spectroscopy (2020)
  • Author(s): Yuki Yamamoto、Hiroaki Kominami、Kei Kobayashi、Hirofumi Yamada
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SI Pages: SIII03-SIII03
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab7b13
  • Peer Reviewed
• [Presentation] フォースマッピングにおける特異結合の破断検出 (2022)
  • Author(s): 合原 岳、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] FM-AFMを用いたフォースマッピング法によるコラーゲンの粘弾性計測 (2022)
  • Author(s): 熊谷 隼太郎、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 走査型熱振動顕微鏡法:表面下ナノ粒子可視化および表面近傍の実効ヤング率測定への応用 (2022)
  • Author(s): 船戸 開、木村 邦子、平田 芳樹、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] FM-AFMを用いたバクテリオロドプシンの細胞内面および外面における表面構造・物性計測 (2022)
  • Author(s): 木村 一世、木南 裕陽、小林 圭、平田 芳樹、山田 啓文
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] FM-AFMによるフォースマッピングにおける表面位置特定および物性解析 (2022)
  • Author(s): 木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 自己組織化したコラーゲン分子の液中FM-AFM観察 (2021)
  • Author(s): 熊谷 隼太郎、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] FM-AFMを用いたバクテリオロドプシンの細胞内面および外面における表面構造・物性計測(2) (2021)
  • Author(s): 木村 一世、木南 裕陽、小林 圭、平田 芳樹、山田 啓文
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 脂質二重膜上streptavidinにおけるbiotinとの特異的相互作用の評価 (2021)
  • Author(s): 合原 岳、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 走査型熱振動顕微鏡法によるparylene膜下に埋もれたナノ粒子の可視化 (2021)
  • Author(s): 船戸 開、木村 邦子、平田 芳樹、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 脂質2重膜-マイカ界面の水分子層の直接可視化 (2021)
  • Author(s): 木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 時分割フォースマッピング法の開発および生体機能計測への応用 (2021)
  • Author(s): 木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 時分割フォースマッピング法を用いた生体分子間相互作用評価 (2021)
  • Author(s): 堀内 孝介、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 液中FM-AFMによるDNAオリガミの構造解析 (2021)
  • Author(s): 山本 悠樹、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 液中FM-AFMを用いたバクテリオロドプシンの細胞内面および外面における表面構造・物性計測 (2021)
  • Author(s): 木村 一世、木南 裕陽、小林 圭、平田 芳樹、山田 啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 液中FM-AFMによるDNAナノワイヤの3次元固液界面構造計測 (2021)
  • Author(s): 熊谷 隼太郎、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 液中AFMを用いた時分割フォースマッピング法による生体分子のナノ弾性率測定 (2020)
  • Author(s): 木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 液中FM-AFMによるDNAナノワイヤの高分解能観察 (2020)
  • Author(s): 熊谷 隼太郎、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 生化学修飾探針を用いたFM-AFMによる生体分子の高分解能観察 (2020)
  • Author(s): 堀内 孝介、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 液中FM-AFMによるバクテリオロドプシンの表面構造・物性計測 (2020)
  • Author(s): 木村 一世、木南 裕陽、小林 圭、平田 芳樹、山田 啓文
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] DNAオリガミへ固定されたタンパク質分子のAFM測定におけるゆらぎの影響 (2020)
  • Author(s): 山本 悠樹、木南 裕陽、小林 圭、山田 啓文
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Nanomechanical characterization of biomolecules with time-division force mapping method by using AFM in aqueous solution (2020)
  • Author(s): H. Kominami, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • Organizer: 28th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
• [Presentation] High-resolution imaging of biomolecules by FM-AFM using a biochemically functionalized tip (2020)
  • Author(s): K. Horiuchi, H. Kominami, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • Organizer: 28th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
• [Presentation] 液中FM-AFMを用いた生体分子のナノスケール弾性率マッピング (2020)
  • Author(s): 木南 裕陽, 小林 圭, 平田 芳樹, 山田 啓文
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] streptavidin 2次元結晶へのbiotin分子特異結合と結晶無秩序化との相関に関する研究 (2020)
  • Author(s): 前田 祥吾, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] PEG-biotin修飾探針か_FM-AFM分解能に与える影響 (2020)
  • Author(s): 堀内 孝介, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 周波数変調原子間力顕微鏡を用いたフォースマッピングによるバクテリオロドプシンの表面物性計測 (2020)
  • Author(s): 深澤 直人, 木南 裕陽, 小林 圭, 平田 芳樹, 山田 啓文
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 液中FM-AFMによるDNA G-wireイメージング (2020)
  • Author(s): 熊谷 隼太郎, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] DNAオリガミを用いたタンパク質分子の固定とAFM表面形状測定への影響 (2020)
  • Author(s): 山本 悠樹, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 原子間力顕微鏡計測の最前線 -高分解能液中AFMおよび表面下構造イメージング (2020)
  • Author(s): 山田 啓文, 小林 圭
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第62回シンポジウム
• [Presentation] 原子間力顕微鏡による生体分子間相互作用力の可視化 (2020)
  • Author(s): 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] 瞬時周波数法FM-AFMを用いた固液界面水和構造計測(2) (2020)
  • Author(s): 深澤 直人, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] フォースカーブ解析によるタンパク質分子のゆらぎ評価の検討(2) (2020)
  • Author(s): 山本 悠樹, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 脂質膜表面を足場とする膜孔形成タンパク質分子のFM-AFMを用いたその場観察 (2020)
  • Author(s): 平田 芳樹, 木南 裕陽, 小林 圭, 田中 睦生、黒澤 茂、山田 啓文
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] treptavidin 2次元結晶へのbiotin修飾分子結合と結晶無秩序化との相関に関する研究(2) (2020)
  • Author(s): 前田 祥吾, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] FM-AFMを用いたstreptavidin-biotin間特異的結合破断評価 (2020)
  • Author(s): 堀内 孝介, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] FM-AFMによる生体分子の分子スケール力学計測 (2020)
  • Author(s): 木南 裕陽, 小林 圭, 平田 芳樹, 山田 啓文
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Nanometer-Scale Viscoelastic Measurements by Peak-Tracking Scanning Thermal Noise Microscopy (2019)
  • Author(s): K. Kobayashi
  • Organizer: The 4th international symposium on Elucidation of Property of Next Generation Functional Materials and Surface/Interface
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Investigation of Carrier Dynamics in Organic Polymer Thin-Film Transistors by Time-Resolved Kelvin-Probe Force Microscopy (2019)
  • Author(s): M. Takeshita, K. Kobayashi and H. Yamada
  • Organizer: 27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM27)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local Viscoelastic Measurements of Polymer Thin Films by Peak-Tracking Scanning Thermal Noise Microscopy (2019)
  • Author(s): K. Kobayashi, K. Kimura and H. Yamada
  • Organizer: 27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM27)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local Hydration Structure Measurements by Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy with Instantaneous Frequency Method (2019)
  • Author(s): N. Fukazawa, H. Kominami, K. Kobayashi and H. Yamada
  • Organizer: 27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM27)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural and Functional Visualization of Biomolecules by Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy (2019)
  • Author(s): H. Kominami, K. Kobayashi, Y. Hirata and H. Yamada
  • Organizer: 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Visualization of Nanoparticles in Polymer Matrix by Scanning Thermal Noise Microscopy (2019)
  • Author(s): H. Tono, K. Kobayashi, Y. Hirata, K. Kimura, H. Yamada
  • Organizer: 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Study on Molecular Fluctuations of Biomolecules by Force Spectroscopy (2019)
  • Author(s): Y. Yamamoto, H. Kominami, K. Kobayashi and H. Yamada
  • Organizer: 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular-scale mechanical property mapping of biomolecules using FM-AFM in liquids (2019)
  • Author(s): H. Kominami, Y. Hirata, K. Kobayashi, H. Yamada
  • Organizer: The 22nd International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Immobilization of biomolecules using DNA origami for force spectroscopy using FM-AFM (2019)
  • Author(s): Y. Yamamoto, H. Kominami, K. Kobayashi and H. Yamada
  • Organizer: The 22nd International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Peak-Tracking Atomic Force Microscopy (2019)
  • Author(s): K. Kobayashi
  • Organizer: The 22nd International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fast scanning thermal noise microscopy for visualization of buried nanostructures in a polymer matrix (2019)
  • Author(s): H. Tono, K. Kobayashi and H. Yamada
  • Organizer: Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE10)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of local electric properties of organic polymer thin-film transistors by Kelvin-probe force microscopy (2019)
  • Author(s): M. Takeshita, K. Kobayashi and H. Yamada
  • Organizer: Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE10)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of relationship between specific binding of biotinylated protains to streptavidin and disruption of streptavidin 2D crystals (2019)
  • Author(s): S. Maeda, H. Kominami, K. Kobayashi and H. Yamada
  • Organizer: Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE10)
  • Int'l Joint Research
• [Book] 機器分析ハンドブック 3 固体・表面分析編 (2021)
  • Author(s): 辻 幸一、藤原 学、宗林 由樹、南 秀明
  • Total Pages: 208
  • Publisher: 化学同人
  • ISBN: 9784759820232
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: https://piezo.kuee.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻電子材料物性研究室（山田研究室）
  • URL: https://piezo.kuee.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻電子材料物性研究室（山田研究室）
  • URL: http://piezo.kuee.kyoto-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 計測装置、原子間力顕微鏡、および計測方法 (2019)
  • Inventor(s): 小林 圭, 木村 邦子, 山田 啓文
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人京都大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-139696
  • Filing Date: 2019