超高速３次元振動分光顕微鏡の開発

• Project/Area Number: 23H00273
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 井手口 拓郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (30735999)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥47,190,000 (Direct Cost: ¥36,300,000、Indirect Cost: ¥10,890,000); Fiscal Year 2025: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000); Fiscal Year 2024: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000); Fiscal Year 2023: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
• Keywords: 振動分光顕微鏡

Outline of Research at the Start

生きた細胞の高速イメージングは、未踏の生物学・医学・薬学研究のフロンティアを切り開く可能性を持つ。近年、情報量が多く定量性のある3次元イメージングの重要性が高まっており、非染色顕微鏡の開発が将来技術として待望されている。しかしながら、現存する手法で取得できるのは細胞の3次元形状の情報にとどまり、分子情報を得ることはできない。本研究では、非染色で生体分子の情報を得ることのできるビデオレート3次元顕微鏡を世界で初めて実証し、将来の細胞生物学研究の基盤技術を創成する。

Outline of Annual Research Achievements

生きた細胞の高速イメージングは、時空間ダイナミクスの解析、ハイスループット判別、大規模統計解析のためのデータ収集などに必須の技術であり、未踏の生物学・医学・薬学研究のフロンティアを切り開く可能性を持つ。近年、情報量が多く定量性のある3次元イメージングの重要性が高まっており、蛍光プローブを用いない非染色顕微鏡の開発が将来技術として待望されている。しかしながら、現存する手法で取得できるのは細胞の3次元形状の情報にとどまり、蛍光イメージングのような分子情報を得ることはできない。本研究では、非染色で生体分子の情報を得ることのできるビデオレートの3次元顕微鏡を世界で初めて実証し、将来の細胞生物学研究の基盤技術を創成することを目的とする。
本年度は多角度照明による開口合成を用いた赤外フォトサーマル定量位相顕微鏡を構築した。大きな開口数を持つ対物レンズを用いた反射型光回折トモグラフィを実装し、また、パルス幅が1ns程度の中赤外ナノ秒レーザーを開発することで、120nmの空間分解能を持つ中赤外フォトサーマル顕微計測を実証し、学術論文として発表した。また、開発した光回折トモグラフィ顕微鏡を用いて、マイクロビーズの3次元の屈折率画像の取得が可能であることを確認した。
ビデオレート計測の実現に向け、高速動作する空間光変調器を用いた高速切り替え多角度照明機構の開発に着手した。また、分子指紋領域での高感度中赤外フォトサーマル顕微鏡の実現に向け、AGS結晶を用いたナノ秒中赤外バルスレーザーの開発を開始した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究項目1のビデオレート光回折トモグラフィの開発においては、基盤となる光回折トモグラフィを構築し、高速切り替え多角度照明機構の構築に着手しており、予定通りに進展している。
研究項目2のビデオレート3次元中赤外フォトサーマル顕微鏡の開発においては、予定通りに1nsのパルス幅を持つ中赤外ナノ秒パルスレーザーを完成させた。
研究項目3の分子指紋領域の中赤外ナノ秒パルスレーザーの開発においては、AGS結晶を用いた光パラメトリック発振器の肺初を行い、所望の波長領域での中赤外パルスレーザー光を発信させることに成功しており、順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

【研究項目１：ビデオレート光回折トモグラフィの開発】
これまでに開発した光回折トモグラフィの実験系を用いて、細胞の高解像度3次元屈折率画像の計測を行う。次に、高速切替多角度照明の光学系を導入し、ビデオレートでの3次元屈折率画像計測の原理実証を行う。
【研究項目2：ビデオレート3次元中赤外フォトサーマル顕微鏡の開発】
これまでに開発した1 nsのパルス幅を持つ中赤外ナノ秒レーザーを光回折トモグラフィの系に導入し、マイクロビーズ、および細胞の3次元中赤外フォトサーマル画像取得の原理検証を行う。
【研究項目3：分子指紋領域の中赤外ナノ秒パルスレーザーの開発】
これまでに開発した分子指紋領域の波長領域で動作するナノ秒中赤外パルスレーザーを長期間安定動作させる開発を行い、分子指紋領域での中赤外フォトサーマルスペクトル画像取得の原理検証を行う。

Research Products

• [Journal Article] Mid-infrared wide-field nanoscopy (2024)
  • Author(s): Tamamitsu Miu、Toda Keiichiro、Fukushima Masato、Badarla Venkata Ramaiah、Shimada Hiroyuki、Ota Sadao、Konishi Kuniaki、Ideguchi Takuro
  • Journal Title: Nature Photonics Volume: - Issue: 7 Pages: 738-743
  • DOI: 10.1038/s41566-024-01423-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-image phase retrieval for off-the-shelf Zernike phase-contrast microscopes (2024)
  • Author(s): Kurata Rikimaru、Toda Keiichiro、Ishigane Genki、Naruse Makoto、Horisaki Ryoichi、Ideguchi Takuro
  • Journal Title: Optics Express Volume: 32 Issue: 2 Pages: 2202-2211
  • DOI: 10.1364/oe.509877
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Label-free mid-infrared photothermal live-cell imaging beyond video rate (2023)
  • Author(s): Ishigane Genki、Toda Keiichiro、Tamamitsu Miu、Shimada Hiroyuki、Badarla Venkata Ramaiah、Ideguchi Takuro
  • Journal Title: Light: Science & Applications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 174-174
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01214-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 世界最高速のラマン分光法 (2023)
  • Author(s): 中村卓磨、橋本和樹、井手口拓郎
  • Journal Title: フォトニクスニュース Volume: 9 Pages: 64-64
• [Journal Article] 中赤外フォトサーマル定量位相顕微鏡による細胞イメージング (2023)
  • Author(s): 石金元気、戸田圭一郎、井手口拓郎
  • Journal Title: オプトロニクス Volume: 500 Pages: 94-98
• [Presentation] Mid-infrared photothermal quantitative phase microscopy for label-free live-cell imaging (2024)
  • Author(s): Takuro Ideguchi
  • Organizer: Optics and Photonics International Conference (OPIC), BISC2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分子振動分光および顕微鏡の最先端技術 (2024)
  • Author(s): 井手口 拓郎
  • Organizer: 「未来協創工学」社会連携講座 第1回研究会
  • Invited
• [Presentation] 量子エレクトロニクスが拓く中赤外分光細胞計測 (2024)
  • Author(s): 井手口 拓郎
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 誘電体ガラス基板のフェムト秒パルスレーザー加工におけるマルチタイムスケール時間分解複素振幅イメージング (2024)
  • Author(s): 川野 将太郎、戸田 圭一郎、櫻井 治之、小西 邦昭、井手口 拓郎
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 非標識細胞内熱泳動イメージング (2024)
  • Author(s): 戸田 圭一郎、寳田 雅治、石金 元気、バダルラ ベンカタ ラマイヤ、島田 紘行、岡部 弘基、井手口 拓郎
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 中赤外光熱顕微鏡による非標識細胞内熱ダイナミクス計測 (2024)
  • Author(s): 戸田 圭一郎、寳田 雅治、石金 元気、バダルラ ベンカタ ラマイヤ、島田 紘行、岡部 弘基、井手口 拓郎
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Mid-infrared photothermal quantitative phase imaging with nanosecond lasers (2024)
  • Author(s): Takuro Ideguchi
  • Organizer: Optica High-Brightness Sources And Light-Driven Interactions Congress, Mid-Infrared Coherent Sources (MICS)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Label-free mid-infrared photothermal quantitative phase imaging (MIP-QPI) of living cells (2024)
  • Author(s): Takuro Ideguchi
  • Organizer: The 3rd Wellman-UTokyo graduate student symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Wide dynamic range imaging with bidirectional quantitative scattering microscopy (2024)
  • Author(s): Kohki Horie, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura, Takuro Ideguchi
  • Organizer: Photonics West
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Intracellular heat conduction and heat-induced temperature change measurements with mid-infrared photothermal optical diffraction tomography (2024)
  • Author(s): Keiichiro Toda, Masaharu Takarada, Genki Ishigane, Hiroyuki Shimada, Venkata Ramaiah Badarla, Kohki Okabe, Takuro Ideguchi
  • Organizer: Photonics West
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 赤外フォトサーマル定量位相顕微鏡による生細胞イメージング (2024)
  • Author(s): 井手口拓郎
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 中赤外光熱顕微鏡による細胞内熱ダイナミクスの計測 (2023)
  • Author(s): 戸田圭一郎、寳田雅治、石金元気、島田紘行、Venkata Ramaiah Badarla、岡部弘基、井手口拓郎
  • Organizer: Biothermology Worksho
  • Invited
• [Presentation] 振動分光が拓く細胞生物学 (2023)
  • Author(s): 井手口拓郎
  • Organizer: 光物性研究会
  • Invited
• [Presentation] 中赤外フォトサーマル定量位相顕微鏡による生細胞イメージング (2023)
  • Author(s): 井手口拓郎
  • Organizer: 光エレクトロニクス産学連携専門委員会第337回研究会
  • Invited
• [Presentation] 非標識光学顕微鏡を用いた細胞内熱伝導と加熱による温度変化の計測 (2023)
  • Author(s): 戸田圭一郎、寳田雅治、石金元気、島田紘行、Venkata Ramaiah Badarla、岡部弘基、井手口拓郎
  • Organizer: 日本生物物理学会
• [Presentation] Mid-Infrared Photothermal Quantitative Phase Imaging (MIP-QPI) (2023)
  • Author(s): Takuro Ideguchi
  • Organizer: Photothermal Microscopy and Spectroscopy Webinar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A Phase Retrieval Algorithm for Zernike Phase-Contrast Microscopy (2023)
  • Author(s): Rikimaru Kurata, Keiichiro Toda, Genki Ishigane, Makoto Naruse, Takuro Ideguchi, Ryoichi Horisaki
  • Organizer: Frontiers in Optics + Laser Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 上方変換タイムストレッチ赤外分光法 (2023)
  • Author(s): 橋本 和樹、中村 卓磨、影山 豪大、Badarla Venkata Ramaiah、島田 紘行、堀﨑 遼一、井手口 拓郎
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] タイムストレッチ広帯域コヒーレントラマン分光 (2023)
  • Author(s): 中村 卓磨、橋本 和樹、井手口 拓郎
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 光ファイバーベースの高分解能タイムストレッチ赤外分光 (2023)
  • Author(s): 正信 誠、影山 豪大、橋本 和樹、中村 卓磨、井手口 拓郎
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 空間分解能125 nmの中赤外顕微鏡 (2023)
  • Author(s): 戸田 圭一郎、玉光 未侑、バダルラ ベンカタ ラマイア、島田 紘行、小西 邦昭、井手口 拓郎
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 定量散乱顕微鏡による広ダイナミックレンジイメージング (2023)
  • Author(s): 堀江 紘己、戸田 圭一郎、中村 卓磨、井手口 拓郎
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 誘電体ガラス基板のフェムト秒パルスレーザー加工におけるマルチタイムスケール時間分解複素透過率イメージング (2023)
  • Author(s): 川野 将太郎、戸田 圭一郎、櫻井 治之、小西 邦昭、井手口 拓郎
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ゼルニケ型位相差顕微鏡における位相回復アルゴリズム (2023)
  • Author(s): 藏田 力丸、戸田 圭一郎、石金 元気、成瀬 誠、井手口 拓郎、堀﨑 遼一
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] High-speed vibraitonal spectroscopy with time-stretch technology (2023)
  • Author(s): Takuro Ideguchi
  • Organizer: The 28th Colloquium on High-Resolution Molecular Spectroscopy (HRMS)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Video-rate live-cell imaging with mid-infrared photothermal quantitative phase imaging (MIP-QPI) (2023)
  • Author(s): Takuro Ideguchi
  • Organizer: Biomedical Raman Imaging
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Time-Stretch Coherent Raman Scattering Spectroscopy Running at 50,000,000 Spectra/s (2023)
  • Author(s): Takuma Nakamura, Kazuki Hashimoto, Takuro Ideguchi
  • Organizer: CLEO2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 振動分光および顕微鏡における技術障壁の克服：新技術と応用の展開 (2023)
  • Author(s): 井手口拓郎
  • Organizer: 理化学研究所 光量子工学研究センター 第81回RAPセミナー
  • Invited
• [Remarks] 世界最高の空間分解能を持つ中赤外顕微鏡を開発
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/10314/
• [Remarks] A better view with new mid-infrared nanoscopy
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00342.html
• [Remarks] 世界最高速の単一細胞中赤外顕微イメージングを実現
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/info/8555/
• [Remarks] The fastest infrared microscope
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/en/info/8534/
• [Patent(Industrial Property Rights)] タイムストレッチ分光装置及びタイムストレッチ分光法 (2024)
  • Inventor(s): 井手口拓郎、堀崎遼一、玉田暁
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人東京大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2024-025241
  • Filing Date: 2024
• [Patent(Industrial Property Rights)] 双方向散乱顕微鏡 (2024)
  • Inventor(s): 井手口拓郎、戸田圭一郎、堀江紘己
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人東京大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-143148
  • Filing Date: 2024