集束表面プラズモンを利用した顕微複屈折測定法の開発と細胞異常診断への応用
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21K04916
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
加野 裕 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80322874)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 集束表面プラズモン / 顕微測定 / 屈折率測定 / 銀表面のポリマーコーティング / 銀表面の親水化 / 表面プラズモン / 複屈折測定 / 光異性化薄膜 / 複屈折 / 異方性媒質 / 顕微計測 |
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| Outline of Research at the Start |
高い空間分解能と検出感度を有する複屈折測定法を開発し，細胞異常の早期検知への応用を行う.これを実現するために，集束表面プラズモンを測定プローブに用い，試料との相互作用の結果得られる空間周波数応答から，常光線，異常光線に対する屈折率を測定するための原理開発と装置試作を行う．この原理，および装置の優位性を示すために，膜厚が100nm以下の異方性を持つ薄膜試料を用いて，200nm以下の空間分解能で，0.001オーダーの複屈折測定が行えることを実験的に検証する．さらに，生体細胞を試料として，細胞異常によって生じる複屈折，もしくは失われる複屈折を測定し，細胞診断における有用性を検証する.
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，集束表面プラズモンを測定プローブに用いた生体細胞の複屈折分布の可視化に向け，集束表面プラズモンを励起することができる基板上での生体細胞の培養を試みた．集束表面プラズモンを可視域で励起するとき，銀を用いると，金などを用いる場合と比べ，伝搬定数のピークが先鋭化させることができるが，銀は化学的に安定でないため，これまで，シリカのスパッタ薄膜で表面保護を行っていた．この基板を用い，ステージ2がん細胞の培養を試みたところ，シリカスパッタ膜の崩壊が確認され，細胞を培養することができないことが分かった．実験的な検証の結果，細胞培養に用いた培養液（DMEM）が要因となっていることを確認した．そこで，表面プラズモンセンシング基板の表面の保護にポリマー薄膜を用いる検討を行った．表面プラズモンセンシングでは，表面プラズモンが形成する電場はエバネッセント波となって局在し，金属表面から離れると指数関数的に減衰するため，保護膜の膜厚は測定感度に大きな影響を与える．これを考慮して，ポリマー薄膜の膜厚の目標値を10~20nmに定め，材料と成膜法の選定を行い，ポリメチルメタクリレイト（PMMA）をトルエンを溶解させ，スピンコーティング法で成膜することとした．その試行段階では，目標とする膜厚での成膜においては，膜厚が不均一になることが確認された．そこで，PMMAトルエン溶液を滴下する前に，銀表面に大気圧低温プラズマを照射し，銀表面の親水化を試行した．その結果，特定の照射条件において，銀表面の顕著な親水化を確認することができた．つづいて，PMMAの成膜を行，その評価を集束表面プラズモン顕微鏡で行った．測定領域15マイクロメートル平方とし，64 x 64点で表面プラズモンの伝搬定数を測定した，これをPMMAの膜厚に換算すると，目標とする膜厚で，均一性の高い薄膜の成膜に成功し，再現性も確認できた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
表面プラズモン励起に用いる基板上で細胞培養を試みたものの，培養液が基板のシリカ保護層を崩壊させることが問題となった．これに対し，PMMAを保護膜の材料とし，スピンコーティング法によって極薄膜を成膜する方法を検討し，銀表面を大気圧低温プラズマ照射によって親水化する処理を導入することによって，その実現に成功した．できることを確認した．さらに，成膜したPMMAの極薄膜の膜厚，均一性を，集束表面プラズモン顕微鏡によって評価し，集束表面プラズモン顕微鏡法での利用に適した基板を作成できていることを確認できた．以上より，細胞培養に向けた問題を解消することができたため，次年度において計画している細胞培養を試行し，その評価を行う予定である．
以上より，研究計画は当初に想定していなかった問題が生じたものの，これを解決する方法を見いだし，当初目標に向かって研究を進めることができる状態にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の知見を下に，細胞に用いる基盤策を行う．超高屈折率基板表面に真空蒸着法で膜厚55nmの銀薄膜を成膜し，その表面をアルゴンガスの大気圧低温プラズマを照射することで親水化し，これにPMMAトルエン溶液を滴下してスピンコーティングし，膜厚15nmのPMMA保護層を成膜する．この基板のDMMAに対する耐性を検証した後，ステージ2がん細胞の培養を試みる．さらに，集束表面プラズモン顕微鏡を用いて，主に細胞接着斑の周囲を中心に，集束表面プラズモンの伝搬定数計測を行い，伝搬定数の方位依存特性から複屈折の検出を試みる．当初予定の細胞の培養に問題が生じたら，神経細胞など，他の細胞の計測を試みる予定である．
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
