2016 Fiscal Year Annual Research Report
非線形モード局在型マイクロレゾネータアレイによる超微小質量計測とバイオセンシング
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16H02318
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
藪野 浩司 筑波大学, システム情報系, 教授 (60241791)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 泰之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (00398637)
松本 壮平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (70358050)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 質量計測 / MEMS / 自励発振 / モード局在化 / フィードバック制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）本年度は、まず非線形モードの局在化について検討した。これまでの研究では、レゾネーターの線形復元力のみを考えて、線形モードの局在化を利用した質量測定法を提案してきたが、応答振幅の制御がされていなかった。モードは振幅依存性があり、振幅を微小に抑えることは、感度向上に向けて大きなブレークスルーとなる。そこで、カンチレバーの非線形性をも考慮に入れ、微小質量計測におけるモードシフトを解析した。さらに、非線形フィードバック制御により積極的に非線形力をレゾネーターに付与し、レゾネータの振幅を微小に保つことにより、計測精度を向上される方法を提案した。
（２）感度向上に向けたもう一つの方法として、レゾネータ最適形状を検討した、二つのカンチレバーの剛性とそれらの連成剛性の比が小さいことが感度向上につながることから、カンチレバーの剛性を高めるため、連成部分のオーバーハングはそのままに、カンチレバーのみ剛性を上げることを見出した。次年度は、このような形状のレゾネータを実際に製作する予定である。
（２）購入したレーザドップラスキャナーにより、モード形状を測定する実験システムを構築し、次年度以降のレゾネータアレイに関する実験準備を整えた。また本年度は予備的実験として同システムを使い、これまで計測に利用してきたカンチレバーの同相、反相モードを実験により観察し、空間的なレゾネーターのモード形状を確認した。
（３）二つの連成レゾネータの片方に測定試料を吸着してその質量を測定する方法を提案しているが、ナノバイオセンシング技術としての実用化にむけて、測定対象を片側のカンチレバーに化学吸着する必要がある。本年度はその一歩として、自己組織化単分子膜を形成し、ビオチンでコーティングされているビーズの吸着に成功した。
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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
理由１：非線形モード連成によるエネルギー局在化に関する理論を多重尺度法を使って構築ができた。これにより、感度向上に向けて最適なモード連成方式を見出すことができた。ただし、学会発表がまだできていない。
理由２：次年度以降のレゾネータアレー実験に利用する光学システム装置が完成し、これを用いて、予備実験として連成モードを実験的に観測し、これまでの理論モデルの妥当性が確認できた。
理由３より感度を上げるための最適形状を理論的に得ることができたが、まだ実際の製作には至っていない（次年度作成する予定である）。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の結果から、レゾネーターの構造最適化と非線形フィードバックによる振幅低減化により測定感度向上が向上することがわかったので、これを実際に産総研の研究分担者と共同で、MEMSレゾネーターとして具現化する。また、化学吸着による測定対象物質のレゾネータへの付着方法は改善の余地があり、レゾネータの先端のみに質量が確実に付着する方法を構築する。液中での質量測定が、ナノバイオセンシングでは重要であるが、液中に含まれる物質の時間的な変化を測定する方法を考えていく。カンチレバー内にチャネルをもうけて、そこに液体を流すことにより、物質の含有量の時間変化を測定するシステムを構築する。
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