2017 Fiscal Year Annual Research Report
ファインバブル解析のための電子線励起発光顕微鏡の開発とその応用展開
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16H03883
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
川田 善正 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (70221900)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
居波 渉 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (30542815)
真田 俊之 静岡大学, 工学部, 准教授 (50403978)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光計測 / 超解像顕微鏡 / ファイバブル / 電子顕微鏡 / ソフトマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、液中におけるマイクローナノスケールのファインバブルを高分解能かつ高感度に観察可能な電子線励起発光顕微鏡を開発するとともに、コロイド粒子や生体試料など液中のソフトマテリアルを解析する手法を確立し、洗浄、潤滑効果、気泡影剤、燃料電池、医療・薬品、環境などさまざまな応用分野へ展開することを目的として、基礎解析およびシステム開発を行なってきた。マイクローナノスケールのバブルは、その体積に比して表面積が大きく表面電位が高いため、界面での反応活性が高く、液中に長期間存在するとして、新しい応用展開が期待されている。今年度は、これまで開発を進めてきた電子線励起超解像顕微鏡を用いて、基盤の表面に付着したファインバブルの観察を行った。基板表面に機能性高分子膜をコーティングし、バブルを高密度に付着させた。電子線による窒素の発光波長である390nmの波長を選択的に検出し、ファインバブルの構造を観察した。また数値解析手法として、電子線散乱をモンテカルロ・シミュレーションで解析し、得られる観察画像の分解能を評価した。モンテカルロ・シミュレーションを用いることにより、基板表面に付着したファインバブルの基盤からの距離による観察像を求めた。その結果、開発した顕微鏡により、ファインバブルの観察画像をシミュレートするとともに、浮遊しているファインバブルを高分解能で観察できたことを確認した。さらに、レーザー顕微鏡と融合したシステムを設計した。レーザー顕微鏡と組み合わせることにより、高コントラストかつ高分解能で溶液内の構造を3次元的に観察することができ、より詳細なメカニズムの検討が可能である。電子線の照射により、バブルの表面電荷を制御し、その反応活性を制御することについて検討した。
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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
本研究では、液中のファインバブルを観察可能な電子線励起超解像顕微鏡の基礎システムを開発し、超解像顕微鏡の分解能を評価を行うとともに、実際にファインバブルの観察を行った。まずは、ファインバブルを基板に付着させ、移動しない状態で観察を行った。ファインバブルは負に帯電しているため、基板表面に機能性高分子膜をコーティングし、静電引力によりバブルを基板に付着させた。これにより高密度にファインバブルを基板に付着させる方法を確立した。基板に付着したファインバブルに電子線を照射し、原子発光を励起した。ファインバブルの内部には空気が存在すると考えられるため、窒素の原子発光である波長390nmの発光をバンドパスフィルターを用いて検出した。その結果、ファインバブルを高分解能でイメージングすることに成功した。また、電子線散乱をモンテカルロ・シミュレーション、励起された発光の伝搬を有限差分時間領域法(FDTD法)で解析し、電子散乱および光散乱を組み込んだ解析を行った。真空と大気圧の分離膜および液中の試料内部における電子線の散乱および透過特性を評価し、顕微鏡システムの分解能、結像特性について検討し、実験結果との比較を行った。これらの解析結果から、真空と大気圧の分離膜の材料、膜厚、加速電圧などによる電子線の散乱特性を解析し、集束スポットの拡がりなどを理論的に明らかにし、得られたファンインバブルの画像評価を行った。その結果、得られた観察像は、ファインバブルを正しく観察できているものと結論づけた。さらに浮遊しているのバブルについて基盤からの距離による観察像をシミュレートし、観察可能な基板とファインバブルの距離を求めた。基板とファイバブル距離が大きくなると、電子線散乱のために分解能が低下することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度、基礎実験により得られた観察結果に基づく結像特性の解析結果を数値解析手法および顕微鏡システムにフィードバックし、より高分解能かつ高感度な観察手法を検討する。とくに、気液界面での化学的および電磁気学的な相互作用を解析手法の中に組み込むための拡張について検討を行ない、さまざまな応用分野への展開可能性について検討する。基板表面に付着したファイバブルではなく、液中を浮遊しているファインバブルの観察を検討する。前年度の検討結果より、基板から離れるにしたがい、分解能が大きく低下するため、正確なファインバブル形状を観察するためには、基板と浮遊バブルとの距離を制御する必要がある。これには、基板表面にコーティング膜を検討し、最適な距離を保つことが可能な膜構成を検討する。さらにレーザー走査顕微鏡と組み合わせて、電子線励起超解像画像とレーザー励起画像を同時に取得可能な顕微鏡システムの設計・試作を行なう。レーザー顕微鏡と融合することにより、光励起による観察像と電子線励起による観察像を同時に取得することが可能となる。したがって、光励起による観察像と電子線励起による観察像を直接比較検討することができ、それぞれの結像特性の違いを明らかにすることが可能となる。高速かつ高機能、高感度な撮像素子を用いて、高いコントラストで観察可能な顕微鏡システムを設計する。さらに原子発光だけでなく、ファインバブルからの反射電子も同時に検出することにより、より精度の高い計測を行う。合わせて、ファインバブルの応用研究についても検討する。
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