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2016 Fiscal Year Research-status Report

共振型光音響センサ

Research Project

Project/Area Number 16K14189
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

小野 崇人  東北大学, 工学研究科, 教授 (90282095)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2018-03-31
Keywords光音響 / 振動子 / 生体物質
Outline of Annual Research Achievements

肥満者の増加に伴う糖尿病患者の増加は、世界的に医療費の増大を招き、大きな問題となっており、予防という観点からもその簡易測定は極めて大きな需要がある。血液採取によらない糖尿病の非侵襲計測は、超音波、電気(インピーダンス)、光吸収などを利用した多くの研究がなされているにも関わらず、現在に至るまで、決定的な技術が実現していない極めて挑戦的な課題である。
これに対して、光音響検出を利用したグルコース検出手法が知られている。本研究では、高感度な光音響センサを開発し、半導体LDでも光音響信号が計測できるようにすることで、家庭でも使える小型の生体物質検出システムを開発する。特にターゲットをグルコースとして、実証試験を行う。高感度検出のために、機械共振と音響共振の両方のセンサを開発し、システムの最適を図る。
シリコンからなる片持ち梁型のセンサとドーナッツ型で共振モードをもつ圧電体からなるセンサの2種を試作評価した。2つのレーザーダイオードのレーザー光を利用し、その光音響の信号比から体内物質を検出するシステムのプロトタイプを試作した。センサは、検出対象と接するガラスに固定した。検出対象物にパルスレーザーを照射した際に発生する光音響波は、ガラスを通してセンサに伝達されるシステム構成とした。人の指や天然ゴム、PDMSなど各種材料で光音響信号が得られ、物資によりその信号強度が異なることを確認した。開発システムの動作確認のため、グルコースを混ぜたシリコーンゴムなどの試験片で検証実験を行い、グルコースの濃度に依存して光音響信号が増加するのを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

肥満者の増加に伴う糖尿病患者の増加は、世界的に医療費の増大を招き、大きな問題となっており、予防という観点からもその簡易測定は極めて大きな需要がある。血液採取によらない糖尿病の非侵襲計測は、超音波、電気(インピーダンス)、光吸収などを利用した多くの研究がなされているにも関わらず、現在に至るまで、決定的な技術が実現していない極めて挑戦的な課題である。
これに対して、光音響検出を利用したグルコース検出手法が知られている。本研究では、高感度な光音響センサを開発し、半導体LDでも光音響信号が計測できるようにすることで、家庭でも使える小型のグルコース検出システムを実証する。高感度検出のために、センサにおいて機械共振と音響共振の両方を使うことを特徴としている。
シリコンからなる片持ち梁型のセンサとドーナッツ型で共振モードをもつ圧電体からなるセンサの2種を試作評価した。2つのレーザーダイオードのレーザー光を利用し、その信号比から体内物質を検出するシステムのプロトタイプを試作した。グルコースを混ぜたシリコーンゴムなどの試験片で検証実験を行い、グルコースの濃度に依存して光音響信号が増加するのを確認した。

Strategy for Future Research Activity

前年度に開発したセンサについて、その評価結果を基にセンサの最適化設計を進める。
また、前年度の結果から計測おける問題点を明らかにして、個々の要素を再設計、再試作し、最終的なプロトタイプを試作する。初期試験では、人間の指に模したファントムとしてグルコースを溶かした寒天を用いて試作する。更に、動物の皮膚などを用いた検証実験を進める。
人の血液を採取して計測した測定値と比較し、信頼性、再現性、分解能など総合的な特性を評価する。光音響により伝播する音波は、雰囲気の圧力や温度に依存することが考えられることから、信号強度の圧力・温度依存性などの評価も必要になる。また、レーザー光の散乱は皮膚表面の性状に影響されることから、信号の表面性状依存性も重要な検査項目となる。

Causes of Carryover

2-3月に利用する機械等の利用料の請求が次年度になるため、繰り越した。

Expenditure Plan for Carryover Budget

繰り越し分は、前年度の施設等の利用料として利用する。

  • Research Products

    (11 results)

All 2017 2016

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 5 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Journal Article] Design and fabrication of a large area freestanding compressive stress SiO2 optical window2016

    • Author(s)
      Nquyen Van Toan, suguru Sangu and Takahito Ono
    • Journal Title

      Journal of Micromechanics and Microengineering

      Volume: 26 Pages: 075016

    • DOI

      10.1088/0960-1317/26/7/075016

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Single and mechanically coupled capacitive silicon nanomechanical resonators2016

    • Author(s)
      Nguyen Van Toan, Tsuyoshi Shimazaki, and Takahito Ono
    • Journal Title

      Micro & Nano Letters

      Volume: 11 Pages: 591-594

    • DOI

      10.1049/mnl.2016.0265

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Fabrication of high aspect ratio SiO2 and Tempax glass pillar structures and its application for optical modulator device2016

    • Author(s)
      Nguyen Van Toan, Suguru Sangu, and Takahito Ono
    • Journal Title

      Journal of Microelectromechanical Systems

      Volume: 25 Pages: 668-674

    • DOI

      10.1109/JMEMS.2016.2581184

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Parametrically Actuated Resonant Micromirror Using Stiffness Tunable Torsional Springs2016

    • Author(s)
      Y. Kawai, J.H. Kim, N. Inomata, and T. Ono
    • Journal Title

      Sensors and Materialsv

      Volume: 28 Pages: 131-139

    • DOI

      10.18494/SAM.2016.1163

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] High Aspect Ratio Silicon Structures Produced via Metal Assisted Chemical Etching and Assembly Technology for Cantilever Fabrication2016

    • Author(s)
      Nguyen Van Toan, Masaya Toda, and Takahito Ono
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Nanotechnology

      Volume: 99 Pages: 1-1

    • DOI

      10.1109/TNANO.2016.2645781

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Fabrication of high aspect aluminum doped zinc oxide nanomechanical structures by deep RIE and ALD2017

    • Author(s)
      Nguyen Van Toan, and Takahito Ono
    • Organizer
      The 30th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems
    • Place of Presentation
      Las Vegas, USA
    • Year and Date
      2017-01-22 – 2017-01-26
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Resonant acoustic microsensor for photoacoustic detection2016

    • Author(s)
      Imran Latif. Zhonglie An, and Takahito Ono
    • Organizer
      The 16th International Conference on Nanotechnology
    • Place of Presentation
      Sendai International Center, Sendai, Japan
    • Year and Date
      2016-08-22 – 2016-08-26
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication and evaluation of CVD diamond resonators2016

    • Author(s)
      Yuya Mochimaru, Masaya Toda and Takahito Ono
    • Organizer
      The 16th International Conference on Nanotechnology
    • Place of Presentation
      Sendai International Center, Sendai, Japan
    • Year and Date
      2016-08-22 – 2016-08-26
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High aspect silicon structures using metal assisted chemical etching2016

    • Author(s)
      N.V. Toan, M. Toda, and T. Ono
    • Organizer
      The 16th International Conference on Nanotechnology
    • Place of Presentation
      Sendai, Japan
    • Year and Date
      2016-08-22 – 2016-08-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Grass reflow process and its applications2016

    • Author(s)
      Nguyen Van Toan, Suguru Sangu, and Takahito Ono
    • Organizer
      Proceeding of the 11th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and. Molecular Systems
    • Place of Presentation
      Taikanso, Matsushima, Miyagi
    • Year and Date
      2016-04-17 – 2016-04-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mechannically coupled capacitive silicon nanomechanical resonators2016

    • Author(s)
      Tsuyoshi Shimazaki, Nguyen Van Toan, and Takahito Ono
    • Organizer
      The 11th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and. Molecular Systems
    • Place of Presentation
      Taikanso, Matsushima, Miyagi
    • Year and Date
      2016-04-17 – 2016-04-20
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-01-16  

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