2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of an ultrahigh sensitivity terahertz biochip
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17H01269
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
斗内 政吉 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (40207593)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 博成 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (30219901)
川山 巌 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (10332264)
芹田 和則 大阪大学, レーザー科学研究所, 特任研究員 (00748014)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / バイオチップ / 非線形光学 / 局所場光物性 / メタアトム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
主にＦＤＴＤ電磁界解析モデルの最適化とチップ構造最適化を行い、微量溶液の高感度測定を可能とするマイクロ流路タイプのTHzチップの開発を行った。電磁界解析モデルの最適化では、商用のＦＤＴＤソフトをベースとして、非線形光学結晶中における微小THz光源の設計、配置、伝搬特性などを網羅的に検討し、実測値とも比較しながら最適条件を見出した。特にメタマテリアルの局所場THz励起では、GaAs基板上にメタアトムの個数とアレイ配列が異なるチップを作製し、メタマテリアル構造の最適化を行った。実験および計算ともに、メタマテリアルアレイの個数を増やすQ値が増加するし5×5個以上の配列のアレイにすべきことが確認できた。このように、共振器アレイの構造が共振応答に密接に関わっているが、これをシミュレーションでも再現性良く評価することができた。このモデルをベースに、マイクロ流路とTHz光源、メタアトムが効率よく相互作用を起こす構造条件を決定し、プロトタイプのTHzマイクロ流路チップの開発を行った。また、マイクロ流路は、バイオ・生体分析において広く用いられているPDMSを非線形光学結晶であるGaAsに貼り付けることによって実現した。PDMSは生体適合性が高いだけでなく、THz帯域でほぼ一定の誘電率を持ち、損失が少なくいためTHzイメージングに適している。このチップを利用して、微量溶液センシングの感度評価を行ったところ、実量約300pLの溶液中の溶質濃度を最大31.8フェムトモルの感度で検出できていることを確認した。
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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
当初の目標であったFDTD電磁界解析モデルの最適化が完了し、実測データをおおよそ再現できる環境を整えることができた。また、開発を行ったTHzマイクロ流路チップはプロトタイプながらピコリットル-フェムトモルオーダーの感度を示すチップに仕上がっており、微量センシングに利用可能であることを証明するとともに、今後シミュレータでさらなる条件出しを行うことで感度向上に期待が持てる結果となった。このことは、今後本チップを利用して実際の化学反応や生体関連試料を測定していく上での重要な基礎知識であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回開発を行ったTHzマイクロ流路チップでは、メタアトム構造として対称構造を使用しているため、この構造をよりhigh-Q応答が見込まれる構造に変更することで桁違いに感度が向上する可能性がある。今後は開発を行ったシミュレータを利用して構造最適化を行いつつ、検出ターゲットとなる化学反応や分子振動に対して最適なチップ開発を行っていく。また、現在は透過THz波の検出をベースにセンシングを行っているが、サンプル形状や性質によってはTHz波が透過しにくい場合が予想される。これをカバーするため、より実用的な反射型THz分光システムの構築も行い、チップと組み合わせた時の感度評価や実際の溶液試料測定や生体組織測定などへの応用利用可能性についても準備を進めていく。
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[Presentation] New method to estimate oxygen adsorption energy on 2D materials with terahertz emission microscopy2017
Author(s)
F. R. Bagsican, A. Winchester, S. Ghosh, X. Zhang, L. Ma, M. Wang, H. Murakami, S. Talapatra, R. Vajtai, P. M. Ajayan, J. Kono, M. Tonouchi, and I. Kawayama
Organizer
The 4th International Symposium on Microwave/Terahertz Science and Applications
Int'l Joint Research / Invited
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