2017 Fiscal Year Research-status Report
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17K04974
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
坪井 泰之 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (00283698)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光ピンセット / 光圧 / 蛍光顕微鏡 / 微粒子 / ナノ粒子 / プラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
私たちは、ナノ物質に対する自由度の高い捕捉と空間操作法の確立を目指し、「プラズモン光ピンセット」に関する研究を展開してきた。確かにプラズモン光ピンセットは、優れたマニピュレーションツールである。しかし、特にナノ物質が小さくなればなるほど、超えるべきハードルは少なくないことがわかってきた。そこで、私たちは、比較的平易に、かつ大面積に微細構造を付与した光機能性物質を探索してきた。
このような要求を満たす物質として、ナノニードルが集積した表面構造を有するケイ素結晶板（＝ブラックシリコン）に着目した。このようなナノ構造はシリコンウエハをドライエッチングするだけで簡単かつ大面積で得られる。このブラックシリコンではナノニードルのため屈折率の急勾配が発生し、反射率を著しく低下させる。さらに、多重散乱の効果により、入射光電場を表面近傍にて数倍程度は増強させる働きを持つ。そこで、このブラックシリコンを基板とし、シリコンの光吸収が少ない近赤外光を照射して微粒子の捕捉を試みた。
その結果、捕捉能の増強が確認され、熱効果の影響も全く無視できることがわかった。捕捉の“握力”はプラズモン光ピンセットを凌駕することも示唆された。すなわち、本方法は全く新しい高性能な光ピンセットになる可能性が高い。この方法論をNano-Structured SemiConductor-Assisted (NASSCA) 光ピンセットと呼び、その特徴を明らかにしつつある。
私たちは初期の研究成果を論文発表した（Y. Tsuboi et al., Sci. Rep. 7, 12298 (2017)）。この論文はSci. Rep. 誌に掲載された3000報以上の物理学分野の論文の中から、Top 100 Read Physics Papers 2017にも選ばれている。本成果が世界から大きく注目されている証である。
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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
(1)高効率捕捉の実証： 水に分散した蛍光染色ポリスチレンビーズ（d= 500 nm）を捕捉対象とした。この分散液をブラックシリコン基板とカバーガラスで挟み、試料セルとした。倒立顕微鏡に捕捉用のレーザービーム（λ= 808 nm）と蛍光励起用のレーザービームを同軸で導入し、試料溶液に集光した。暗視野蛍光画像並びに蛍光スペクトル測定により、ビーズのミクロな運動を詳細に解析した。
捕捉用レーザービームの光強度（I；ブラックシリコン表面上での値）を徐々に高くしていくと、I= 30 kW/c㎡付近でビーズの安定な捕捉が確認された。ブラックシリコン基板がない状態や、ブラックシリコン基板を平滑なガラス基板に置き替えて同様の光捕捉を試みたところ、I= 800 kW/c㎡以上でも光捕捉は確認されなかった。これより、ブラックシリコン基板が光捕捉を強力に支援することが明らかとなった。捕捉の力（stiffness）を微粒子のtrackingから評価したところ、プラズモン光ピンセットの10倍の強度を持つことがわかり、本手法が強力な微粒子捕捉法であることが実証された。
(2) 基板ナノ構造、微粒子サイズの依存性： ブラックシリコン表面のナノニードルは、エッチング処理時間の増加とともに高くなる。NASSCA捕捉能のブラックシリコン構造依存性を明らかにすべく、エッチング処理時間が15, 30, 45分（ニードルの高さ200, 400, 600 nm）のブラックシリコンを用いた。その結果、500 nmポリスチレンナノ粒子の光捕捉において、ニードル高さ400, 600 nmのブラックシリコンを用いると高い捕捉効率を示した。一般に光捕捉は、捕捉対象物の粒径にも大きく依存する。そこで、粒径の異なるポリスチレン粒子の光捕捉（直径200, 500, 1000 nm）を行ったところ、1000 nmのナノ粒子が最も効率良く捕捉されることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 半導体一般性の証明： NASSCA光ピンセットは、今のところシリコンでのみ実証されているに過ぎない。他の半導体も、同様の効果が実証できれば、波長選択性や表面電荷など、本手法の自由度は大きく広がる。そこで、化合物半導体も含め、他の半導体を広く検証し、本手法の一般性を検証する。
(2）大量捕捉法の確立： NASSCA光ピンセットは、100個を超える微粒子を照射エリアに捕集捕捉できることを発見した。この手法の基礎メカニズムを解明し、応用も探る。
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| Causes of Carryover |
2017年度は、順調に研究成果を挙げることができたため、当初予定していた実験器具・試薬などの消耗品への出費を削減することができた。2018年度はさらにハードルの高い研究に取り組むため、2017年度の残額を2018年度の消耗品として計上する。
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