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Volumetric molecular vibrational imaging with mid-infrared photothermal diffraction tomography

Research Project

Project/Area Number 19J12981
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

玉光 未侑  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2019-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords非標識イメージング / 定量位相イメージング / デジタルホログラフィ / 光回折トモグラフィ / 分子振動イメージング / 中赤外イメージング / フォトサーマルイメージング
Outline of Research at the Start

本研究では、試料の三次元的な形態情報と分子情報を非標識に同時検出することを可能とする顕微鏡技術を開発し、生命医科学において新たな画像診断手法を確立する。

技術的には、分子振動に共鳴する中赤外光を試料に照射することで分子選択的な光吸収を起こし、これに伴う試料内の局所的な屈折率変化を可視光による三次元超解像屈折率顕微鏡技術で検出する。

本技術は、試料の超解像形態情報と分子情報に基づいた相互相関的な解析を可能とし、一細胞解析等で有用となり得る。創薬の場では、細胞内での薬の作用機構や効能の直接的な観察等が、医療の場では、極小な感染性細菌の種別を従来技術より短時間で高効率に非標識同定すること等が期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

透明な生体試料を非標識に観察することは、ありのままの状態の細胞を長時間観察することが要求される様々な応用で重要である。特に、ラマン散乱や中赤外吸収に基づいて試料の化学情報を取得する分子振動イメージングと、屈折率分布に基づいて試料の形態情報を取得する定量位相イメージングと呼ばれる技術が、近年盛んに研究されている。しかし、これらの技術には、各々で相補的な情報しか得られないことや、高感度計測を行うために用いる高強度超短光パルスにより数分で細胞が死滅してしまうなどの問題が存在する。本研究では、中赤外フォトサーマル定量位相イメージングと呼ばれる新たな非標識光学イメージング技術を開発することで、これらの欠点の解消と、新たな非標識一細胞解析を開拓することを目的とした。

本年度は、中赤外フォトサーマル定量位相イメージングの(1)感度向上、(2)分子振動および屈折率コントラストの相関解析、(3)空間分解能の向上を行った。(1)ナノ秒のパルス幅とマイクロジュールのパルスエネルギーを持つ、波長掃引可能な中赤外光パラメトリック発振器を構築し実装することで、中赤外フォトサーマル信号を45倍増強した。通常より飽和電荷量が2桁大きいCMOSイメージセンサーを用いることで単位時間あたりに検出する可視光の光子数を増やし、定量位相イメージング系の量子ノイズを6倍低減した。これらにより、本技術の感度を270倍向上した。(2)高感度化した系を用いて得られる分子振動コントラストと屈折率コントラストを相関解析することで、既存技術では計測できない新たな生物学的量を抽出できる可能性を示した。(3)定量位相イメージングで頻繁に用いられる開口合成の原理を本技術に実装するための系の考案と構築を行った。これを用いることで、コヒーレントラマン顕微鏡などの最先端の分子振動イメージングを超えた空間分解能を実現できる可能性がある。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (4 results)

  • [Journal Article] 中赤外フォトサーマル定量位相顕微鏡による生細胞の非標識分子イメージング2021

    • Author(s)
      戸田圭一郎、玉光未侑、井手口拓郎
    • Journal Title

      フォトニクスニュース

      Volume: 6 Pages: 137-141

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Label-free biochemical quantitative phase imaging with mid-infrared photothermal effect2020

    • Author(s)
      Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda, Hiroyuki Shimada, Takaaki Honda, Masaharu Takarada, Kohki Okabe, Yu Nagashima, Ryoichi Horisaki and Takuro Ideguchi
    • Journal Title

      Optica

      Volume: 7 Issue: 4 Pages: 359-366

    • DOI

      10.1364/optica.390186

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantitative phase imaging with molecular vibrational sensitivity2019

    • Author(s)
      Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda, Ryoichi Horisaki and Takuro Ideguchi
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 44 Issue: 15 Pages: 3729-3732

    • DOI

      10.1364/ol.44.003729

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Molecular contrast on phase-contrast microscope2019

    • Author(s)
      Toda Keiichiro、Tamamitsu Miu、Nagashima Yu、Horisaki Ryoichi、Ideguchi Takuro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-7

    • DOI

      10.1038/s41598-019-46383-6

    • NAID

      120006711373

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 中赤外フォトサーマル定量位相顕微鏡による一細胞イメージング2020

    • Author(s)
      玉光未侑、戸田圭一郎、島田紘行、堀﨑遼一、井手口拓郎
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Label-free biochemical refractive-index tomography of single cells with mid-infrared photothermal effect2020

    • Author(s)
      M. Tamamitsu, K. Toda, H. Shimada, Y. Nagashima, R. Horisaki and T. Ideguchi
    • Organizer
      Digital Holography and Three-Dimensional Imaging
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bioimaging by molecular-vibration-sensitive quantitative phase microscopy based on wide-field mid-infrared photothermal excitation2020

    • Author(s)
      Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda, Yu Nagashima, Ryoichi Horisaki and Takuro Ideguchi
    • Organizer
      Photonics West
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Vibrational imaging of single cells by wide-field phase-sensitive imaging of mid-infrared photothermal effect2019

    • Author(s)
      Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda, Hiroyuki Shimada, Takaaki Honda, Masaharu Takarada, Kohki Okabe, Yu Nagashima, Ryoichi Horisaki and Takuro Ideguchi
    • Organizer
      Biomedical Raman Imaging
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantitative phase microscopy with molecular vibrational sensitivity2019

    • Author(s)
      Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda, Ryoichi Horisaki and Takuro Ideguchi
    • Organizer
      CLEO Europe and EQEC
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phase-contrast microscope with molecular contrast2019

    • Author(s)
      Keiichiro Toda, Miu Tamamitsu, Ryoichi Horisaki and Takuro Ideguchi
    • Organizer
      CLEO Europe and EQEC
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 分子振動選択的な定量位相イメージング2019

    • Author(s)
      玉光未侑、戸田圭一郎、堀﨑遼一、井手口拓郎
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 光で分子を振動させて、細胞の形態と分子分布を同時に見る光学顕微鏡を開発

    • URL

      https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/info/6822/

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 光で分子を振動させて、細胞の形態と分子分布を同時に見る光学顕微鏡を開発

    • URL

      https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00105.html

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 光学顕微鏡で分子の分布を観る新しい顕微分光手法を開発

    • URL

      https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2019/6460/

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 光学顕微鏡で分子の分布を観る新しい顕微分光手法を開発

    • URL

      https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00062.html

    • Related Report
      2019 Annual Research Report

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Published: 2019-05-29   Modified: 2024-03-26  

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