2016 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 Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
粟津 邦男 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30324817)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
間 久直 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70437375)
青木 順 大阪大学, 理学研究科, 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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| Outline of Annual Research Achievements |
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内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1 μmを達成した。しかし、投影型IMSの実用化にはイオンの入射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-inslulator（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ピクセル検出器について、A01班、A02班の協力の下に検出器の詳細な仕様検討を行い、平成25、26年度は年に2回、以降は年に1回の試作を行った。平成28年度には64×64ピクセルで6×6 mm2の試作チップ、同チップを動作させるための回路基板、および制御プログラムを作製し、目標としていた時間分解能1 nsでの動作を実現した。また、これらの評価に用いるためのIMS用イオン源、真空容器、およびイオン光学系用の高圧電源の設計・製作を行った。平成27年度に新たな課題として見つかった検出感度の不足について改良、および評価を行い、単一イオンでも検出できる十分な感度が得られていることを確認した。最終年度である平成29年度に製作する15.3×13.75 mm2の大型試作チップについて、これまでの評価結果を反映させて仕様を決定した。
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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
投影型IMSに必要となるSOIピクセル検出器について、平成28年度までにA01班、A02班の協力の下に検出器の詳細な仕様検討を行い、64×64ピクセルで6×6 mm2の試作チップ、同チップを動作させるための回路基板、および制御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、平成25、26年度は年に2回の試作を行った。これまでに製作が完了している試作チップは時間分解能1 nsを得るための回路（time memory cell）が組み込まれており、設計どおりの動作と時間分解能1 nsが得られていることを確認した。また、これらの評価に用いるためのIMS用イオン源、真空容器、およびイオン光学系用の高圧電源の設計・製作を行った。平成27年度に新たな課題として見つかった検出感度の不足について平成28年度までに改良および評価を行い、単一イオンでも検出できる十分な感度が得られていることを確認した。これまではイオン化にパルス繰り返し周波数が50 Hzのレーザーを用いていたが、測定のスループットを向上させるために繰り返し周波数1 kHzの高繰返しレーザーを平成27年度に導入し、平成28年度はこの高繰返しレーザーを用いたイメージング実験を行った。試料へ均一にレーザーを照射する光学系も構築できた。以上より、SOI半導体ピクセル検出器、およびIMS装置のどちらの開発もおよそ計画どおりに進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度までに製作した試作チップ、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用レーザーイオン化イオン源、真空容器、および高圧電源を用いて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、平成29年度内に、大型の最終試作チップを製作し、その評価を行う。時間分解能1 ns、時間ダイナミックレンジ12 bitの検出器を15.3×13.75 mm2のチップサイズで製作する予定である。
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を開発することによりマトリックス結晶を小さく均一に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）の適用も検討する。
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[Presentation] 投影型イメージング質量分析用半導体検出器MALPIXの開発2016
Author(s)
間久直, 本堂敏信, 松岡久典, 青木順, 藤田陽一, 新井康夫, 池辺将之, 河井洋輔, 豊田岐聡, 粟津邦男
Organizer
新学術研究領域研究「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」第7回研究会
Place of Presentation
SPring-8 (兵庫県佐用郡)
Year and Date
2016-11-21 – 2016-11-22
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