2018 Fiscal Year Annual Research Report
Ultimate scheme of optical forces: Manipulation of single molecules on the nanometer scale by utilizing localized electric field, and the operation over macroscopic regions
| Project Area | Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces |
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| Project/Area Number |
16H06506
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
笹木 敬司 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (00183822)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村越 敬 北海道大学, 理学研究院, 教授 (40241301)
山根 啓作 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50447075)
深港 豪 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (80380583)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 光ナノマニピュレーション / プラズモニックトラッピング / ナノ光渦 / 単一分子操作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、分子・分子集合体に作用する光圧をナノ空間で自在にデザインし、室温・媒質中においてナノ物質を個別選択的に捕捉・操作し、配置・配向・配列を制御する技術を世界に先駆けて開発するとともに、多様な光圧制御技術により光物質操作のマクロ化を実現する事を目的としている。
今年度は、昨年度に引き続き、高精度の金ナノ構造の作製および光圧を発生させるためのナノ局在場のデザインを行うため、開発した数値解析手法を用いて金ナノトライマー構造の局在場の解析を進めた。この知見と昨年度の技術的なノウハウを基に、実際に電子線描画装置を用いて水中で波長1064nmに共鳴を持つ金ナノボウタイ構造を作製した。10nm程度のサイズのナノギャップ部への選択的な発光体の導入を試みるため、この試作構造に水中で波長1064nmの直線偏光レーザーを照射し、ナノ粒子の捕捉を試みた。実験では、直径40nmの色素分子凝集体を用いて光捕捉を行った結果、ナノ粒子が数μmの距離から急激にギャップ部に引き寄せられ、捕捉される様子を確認した。照射レーザーを切った後もギャップ部においてナノ粒子からの蛍光が確認され、乾燥した試料のSEM像からもギャップ部に選択的にナノ粒子が堆積している様子が確認できた。また、昨年度構築したテーパーファイバーを用いたナノ粒子捕捉・輸送システムを用い、異なる波長の対向ビームの入射による捕捉粒子（NVセンター含有・非含有ナノダイヤモンド）の吸収特性を利用したナノ粒子操作・選別を試みた。粒子に作用する散乱力は、対向ビームによりキャンセルされ、吸収量の違いによる吸収力の差の分だけ、NVセンター含有・非含有粒子間の運動に差が生じる。入射レーザー光強度の最適化を行なった結果、NVセンターの有無により輸送される方向が反転し、NVセンター含有・非含有ダイヤモンドナノ粒子の選別が可能となることを示した。
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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
昨年度に引き続き、金属ナノ構造体に光を照射したときの局在プラズモン場の多重極特性・偏光回転特性など光電場のナノ形状のシミュレーション解析を行い、金ナノ構造のギャップ部に誘起されるナノ光電場成形に最適な金属ナノ構造サイズや形状の設計を行うと同時に、ナノ加工装置を用いた構造作製精度の向上を進め、粒子が光捕捉される確率の向上を行なった。また、これらの知見を基に、金ナノボウタイ構造の作製を行い、水中において直径40nmの色素分子凝集体の光捕捉・固定を試みた。照射直線偏光強度に応じて、ナノ粒子が数μmの範囲から引き寄せられ、構造のギャップ部に固定化される様子を確認した。捕捉用レーザー光をOFFにした後も固定化した色素分子凝集体粒子からの蛍光が確認でき、また、SEM像観察を行なったところギャップ部に複数の粒子が堆積している様子を確認した。この成果は、光―物質間相互作用が最大化されるギャップ部に選択的に蛍光物質を配置できる新たな手法として利用できることを示している。
また、ナノ粒子の捕捉・輸送だけでなく、粒子個々の吸収特性に依存した選別を試みるため、テーパーファイバーに波長の異なるレーザー光を対向配置となるように入射し、直径50nmのナノダイヤモンド粒子の光捕捉・輸送・選別を試みた。ナノダイヤモンドは、NVセンターを含む粒子（FND）と含まない粒子（NFND）を準備し、NVセンターに吸収される波長532nmのレーザーと吸収のない波長1064nmのレーザーを入射した。粒子に作用する散乱力は、対向ビームによりキャンセルされ、吸収量の違いによる吸収力の差の分だけ、FNDとNFND粒子間の運動に差が生じる。入射レーザー光強度の最適化を行なった結果、FNDとNFNDが輸送される方向が反転し、NVセンター含有の有無によってダイヤモンドナノ粒子の選別が可能となることを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ粒子を選択的に金ナノ構造上に配置できることを示したので、次年度からは、より複雑なナノ光場を用いてナノ粒子を捕捉・固定化し、ナノ円偏光場による分子キラリティに応じた蛍光増強や、ナノ四重極場を利用した禁制遷移の選択励起などを行い、新規な分子認識センサーなどへの応用展開を目指していく。また、テーパーファイバーを用いたナノ粒子操作において、共鳴遷移を利用した量子ドットや蛍光分子などのより小さいナノ粒子の選別を試みるとともに、捕捉用レーザーの波長走査による高圧に基づく単一粒子分光測定の実現を目指す。
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