2016 Fiscal Year Annual Research Report
破壊計測用マイクロ流路による液中反応X線レーザーイメージング
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16H05989
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
木村 隆志 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (50531472)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | X線イメージング / X線自由電子レーザー / コヒーレント回折イメージング / X線光学 / マイクロ流路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、溶液中で反応過程にあるナノ粒子や生体試料の高分解能イメージングを目指し、X線自由電子レーザー(X-ray free-electron laser : XFEL)を利用したコヒーレント回折イメージング法と、マイクロ流路デバイスによる液中反応制御技術を組み合わせた新たな顕微法を開発することを目指す。平成28年度は当初の研究計画通り、XFEL用破壊計測型マイクロ流路デバイスの開発と、マイクロ流路中での試料反応調整法の検討に取り組んだ。
破壊計測型マイクロ流路デバイスの開発では、X線透過窓となる窒化ケイ素薄膜を備えたマイクロ流路構造を、フォトリソグラフィ、反応性イオンエッチング、水酸化カリウムエッチングといった半導体プロセス技術を利用して作製した。窒化ケイ素膜サイズはおよそ20μmと非常に小さいため、マイクロ流路構造を作製するには2枚のウエハの正確な貼り合わせが必須となるが、光学顕微鏡を二台使用した高精度アライメント装置を開発することによって、1 mrad以下の角度誤差でのウエハ貼り合わせに成功した。XFELによる計測ではバクテリアやタンパク質といった高粘度の試料の計測も想定しているが、作製したマイクロ流路の内部にグリセリンといったの高粘度溶液を問題なく導入可能であることを確認した。
また、マイクロ流路中での試料反応調整法の検討では、マイクロギャップ中でのナノ粒子粒径分布の評価実験に取り組んだ。可視光暗視野顕微鏡を用いて直径60 nmの超純水中金ナノ粒子を検出し、個別粒子のブラウン運動を解析することによって、想定通りの粒子径を導出することに成功した。これらの結果を元に、次年度に向けてより微小な粒子径の試料を検出するために必要な光学系の検討を行った。
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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28年度までの研究進捗状況としては、本研究で開発する破壊計測型マイクロ流路デバイスの試作を行い、マイクロ流路中試料反応計測技術の原理検証に成功するなど、当初計画に沿った順調な進展が得られている。
破壊計測型マイクロ流路デバイスの試作では、北海道大学オープンファシリティ所有の半導体プロセス装置を利用して作製したマイクロ流路デバイス構造の原理検証を行った。本研究の特徴の一つとして、通常のマイクロ流路と異なり、X線の透過率を考慮して数μm以下の狭小なギャップに試料溶液を導入する点がある。こうした狭小なギャップを利用する際の懸念として、タンパク質溶液など粘性の高い試料の導入に困難が生じる可能性があったが、純水の1000倍程度の粘度を持つグリセリンであっても流路内部に導入可能であることを試作したデバイスを用いて確認し、本研究の基本構想に問題がないことを証明できた。こうした結果を元に平成29年度以降、SACLAでの実際の使用を想定した高集積化および精密化を図る計画である。またマイクロ流路中での試料反応調整法の検討では、XFELを用いた実験前の事前検討に使用するマイクロギャップ中でのナノ粒子粒径分布の評価実験に取り組み、ブラウン運動に関するストークス・アインシュタイン式を利用した純水中金ナノ粒子の粒子径算出に成功した。次年度以降、本結果をXFEL用マイクロ流路デバイス内の試料評価に応用する計画であり、当初計画通りに研究を進めることができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果を踏まえ、平成29年度は本顕微法開発のために必要なXFEL用マイクロ流路デバイスおよびマイクロ流路内での溶液試料反応調整法の開発・高度化を行い、さらにXFELビームラインでの試料計測システムの構築に取り組む。
XFEL用マイクロ流路デバイスの開発では、１枚のシリコンチップ上に多数のレーンを集積したマイクロ流路デバイスを作製する。昨年度までに、マイクロ流路デバイス構造の試作を行い、微小ギャップ内部に高粘性溶液を導入可能であるかなど、基本的な構成に問題がないことを確認した。本年度はマイクロ流路デバイス構造の最適化を図り、XFELでの破壊計測を考慮したレーンの高集積化に取り組む。
また、マイクロ流路内での溶液試料反応調整法の確立では、可視光レーザーを利用したナノ粒子トラッキング解析技術を利用して研究を進める。昨年度までに、窒化ケイ素薄膜間の微小ギャップ中においてナノ粒子のブラウン運動をトラッキングし、数十 nmサイズの粒子径を解析できることを確認した。本年度はこの結果を踏まえ、XFEL用のマイクロ流路デバイスの内部でのナノ粒子トラッキング解析に取り組む。昨年度新たに購入した暗視野光学顕微鏡を改造し、可視光レーザーを利用した光学系を導入することによって、マイクロ流路デバイス内部のナノ試料を照明可能なシステムを開発する計画である。
XFELビームラインでの計測システムの構築では、兵庫県播磨のXFEL施設SACLAでマイクロ流路デバイスを使用した実験行うための装置環境整備を行う。
微小なマイクロ流路への液滴試料導入のために、インクジェット技術を利用した微量液体吐出・分注装置を新たに開発するとともに、吐出した微量液体が乾燥しないよう、周囲の環境を制御するための温湿度制御機構も構築する計画である。
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[Journal Article] Generation of apodized X-ray illumination and its application to scanning and diffraction microscopy.2016
Author(s)
K. P. Khakurel, T. Kimura, H. Nakamori, T. Goto, S. Matsuyama, T. Sasaki, M. Takei, Y. Kohmura, T. Ishikawa, K Yamauchi, and Y. Nishino
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Journal Title
Journal of the American Chemical Society
Volume: 138(10)
Pages: 142-149
DOI
Peer Reviewed
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