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高速信号処理技術を用いた3次元AFMのリアルタイムインテリジェント制御

Research Project

Project/Area Number 20K15172
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

宮田 一輝  金沢大学, ナノ生命科学研究所, 助教 (10788243)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords原子間力顕微鏡 / 高速信号処理 / 機械学習 / バクテリオロドプシン
Outline of Research at the Start

近年の原子間力顕微鏡(AFM)の高速化や3次元化により、固液界面の構造や動態を原子・分子スケールで捉えることが可能となったが、その制御手法は高速化・3次元化に対応しておらず、構造や性質の変化を常に最適な条件で計測することが困難だった。本研究では高速信号処理技術を用いたインテリジェントなリアルタイム測定条件制御機構を開発し、生体分子や高分子など幅広い試料の高速3次元分子スケール構造・動態解析を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、高速信号処理技術をAFM計測へ適用することで、幅広い試料の高速3次元サブナノスケール構造・動態解析を実現することを目的としている。これまでにインテリジェントなリアルタイム測定制御を実現するため、AFM画像認識システムの技術基盤構築やField Programmable Gate Array(FPGA)を用いたAFMコントローラの開発に取り組んだ。
今年度は、開発した装置の実用性を実証するため、実際に構造変化を持つ試料のAFM計測に取り組んだ。ここではカルサイトの純水中における結晶溶解過程に着目し、表面に形成されたエッチピットの純水中での構造変化を1 s/frameの速度で原子分解能観察を行った。その結果、エッチピットの内部に表面吸着層を形成することや、それがエッチピット形状を安定化させる効果があることを明らかにした(J. Phys. Chem. Lett., 2021)。また、開発したAFMコントローラで複雑な構造の計測が可能であることを確認するために、広域走査可能なスキャナを搭載した市販のAFM装置に接続した。これを用いて、実際に細胞全域を3次元的にスキャンできることを確認した。
このように、本研究期間全体を通して、高速信号処理を用いたAFMによる高速・3次元解析を行うための基盤技術を開発し、それを用いた応用研究を実施した。今後も、様々な試料の固液界面計測を通してデータを蓄積し、高速3次元AFMの精度向上を実現する。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Research-status Report

Research Products

(4 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Aalto大学(フィンランド)

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] High-Speed Atomic Force Microscopy of the Structure and Dynamics of Calcite Nanoscale Etch Pits2021

    • Author(s)
      Miyata Kazuki、Takeuchi Kazuyoshi、Kawagoe Yuta、Spijker Peter、Tracey John、Foster Adam S.、Fukuma Takeshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 12 Pages: 8039-8045

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c02088

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Visualizing Atomic-scale Structures and Dynamics at Solid-liquid Interfaces by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy2022

    • Author(s)
      K. Miyata
    • Organizer
      2nd WPI NanoLSI-iCeMS Joint Symposium on Nanometrology and Advanced Materials
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Visualizing Intracellular Structures with Sub-nanometer Scale Resolution by 3D-AFM in Liquid Environment2020

    • Author(s)
      K. Miyata, M. P. Garcia, K. Miyazawa, T. Shirokawa, A. M. Shahidul, C. Nakamura, T. Fukuma
    • Organizer
      The 28th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM28)
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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