2013 Fiscal Year Annual Research Report
投影型イメージング質量分析による迅速で高解像度な生体内分子イメージング
| Project Area | Interdisciplinary research on quantum imaging opened with 3D semiconductor detector |
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| Project/Area Number |
25109009
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
粟津 邦男 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30324817)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
間 久直 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70437375)
青木 順 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (90452424)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | イメージング質量分析 / 投影型 / silicon-on-insulator / 3次元半導体検出器 / 量子イメージング |
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| Research Abstract |
本研究課題ではイメージング質量分析（imaging mass spectrometry; IMS）による迅速で高解像度な生体分子イメージング装置の開発を行っている。過去の研究で通常の走査型IMSよりも短時間での測定が可能で高解像度な投影型IMS装置の開発を行い、世界最高の空間分解能1μmを達成した。しかし、投影型IMSの実用化にはイオンの位置と到達時間の両者を同時かつ高頻度に測定可能なイオン検出器の開発が必要となるため、silicon-on-insulator（SOI）半導体ピクセル検出器を用いた新規イオン検出器の開発を進めている。本研究課題で開発する生体内分子イメージング技術の実現により、バイオ・医療分野では病理研究や迅速な病理診断に加え、放射性物質の体内動態の測定などへの応用が、医薬品業界では新薬開発の高効率化が期待できる。工業分野でも新たなアプローチでの有機電子デバイス開発などが可能になると予想される。
投影型IMSに必要となるSOI半導体ピクセル検出器について、現時点での目標仕様は、時間分解能1 ns、時間測定のダイナミックレンジ14 bit、ピクセルサイズ25×25 μm2、ピクセル数512×512個、チップサイズ15×15 mm2である。平成25年度にはA01班、A02班の協力の下に検出器の詳細な仕様検討を行い、3×3 mm2の小型試作チップ、そして同チップを動作させるための回路基板、およびプログラムを作製した。また、これらの評価に用いるためのIMS用レーザーイオン化イオン源、および真空容器の設計・製作を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成25年度にはA01班、A02班の協力の下にSOI半導体ピクセル検出器の詳細な仕様検討を行い、3×3 mm2の小型試作チップ、同チップを動作させるための回路基板およびプログラムを作製した。当初の計画ではSOI半導体ピクセル検出器の試作は各年度に1回のみ行う予定であったが、試作の機会を最大限に活かすため、年に2回の試作を行うこととした。これまでに製作が完了している小型試作チップの仕様は時間分解能10 ns、時間測定のダイナミックレンジ8 bit、ピクセルサイズ64×64 μm2、ピクセル数16×16個である。小型試作チップ単体での動作試験を行った結果、ほぼ想定どおりの動作をすることが確認できた。時間分解能を1 nsに向上させるための回路（time memory cell）を組み込んだ小型試作チップの設計も完了しており、現在製作中である。検出器評価用のイオン源、および真空容器の設計・製作まで完了しているため、これらを用いてイオンのイメージングを行う準備が整っている。以上より、SOI半導体ピクセル検出器、およびイメージング質量分析装置の開発のどちらも当初の計画以上に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度に製作した小型試作チップ、同チップを動作させるための回路基板およびプログラム、これらの評価に用いるためのIMS用イオン源および真空容器を用いて小型試作チップの動作確認、および時間分解能等の評価を行う。評価実験の結果を基に改良を加えた次期試作チップの設計・製作を行い、SOI半導体ピクセル検出器の完成度を向上させる。平成26年度以降も年に2回の試作を予定している。
IMS測定用試料を真空中でコンピュータ制御により移動させるための電動ステージ、および高繰返し周波数のイオン化用レーザーを用いた高スループット投影型IMS装置の設計を行う。この際に、結像収差を抑制したイオン光学系についてイオン軌道シミュレーションによる検討を行う。
IMSでは試料を厚さ数μm以下の切片にする必要があるため、マウスなどの動物や培養細胞などの生体から極薄試料切片を作製する方法について検討を行う。生体分子のような高分子のイオン化にはマトリックス支援レーザー脱離イオン化法（matrix-assisted laser desorption/ionization; MALDI）が一般的に用いられているが、MALDIではマトリックス（イオン化補助剤）の結晶が最低でも数μmになってしまうことが空間分解能を制限してしまう。このため、試料切片へのマトリックス塗布を自動で行う装置の開発することによりマトリックス結晶を小さくする手法を検討することに加え、マトリックスの代わりに鉄や金を含むナノメートルサイズの微粒子を用いたイオン化法（nanoparticle-assisted laser desorption/ionization; nano-PALDI）の適用も検討している。
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[Presentation] イメージング質量分析用検出器2014
Author(s)
間久直, 河井洋輔, 松岡久典, 青木順, 豊田岐聡, 藤田陽一, 新井康夫, 粟津邦男
Organizer
第2回新学術領域研究「3次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開」研究会
Place of Presentation
大阪大学豊中キャンパス (大阪府豊中市)
Year and Date
20140509-20140509
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