2018 Fiscal Year Research-status Report
Generation of ultrasound using scanning near-field optical microscope
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17K18822
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
松谷 巌 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (00514465)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石橋 隆幸 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (20272635)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 近接場光顕微鏡 / SNOM / 超音波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度も引き続き、改造した原子間力顕微鏡(AFM)をベースとした近接場光顕微鏡(SNOM)による超音波の発生に関する検討を行った。He-Neレーザを、偏光子を通して対物レンズでカンチレバー先端に絞り込む。近接場光と試料表面の相互作用による反射光を、レンズと検光子を通して光電子増倍管で計測するシステムを構築した。カンチレバーは共振周波数Ω＝約400kHzで振動しているのでロックインアンプで高調波成分だけを取り出せるようにした。SNOMによってシリコンや金の試料表面を数十nmの精度で可視化することに成功した。また、近接場光による超音波励起の前段階として、プリズムでのパルスレーザの全反射で発生させたエバネッセント光による超音波励起を試みた。半球レンズに対してパルスレーザを打ち込み、全反射させてエバネッセント光を励起する。その浸透深さは100数十nmである。このため、ボールレンズ上面に水を配置したとき、非常に浅い領域に対して局所的な加熱と蒸発および泡を発生させることができる。光線追跡によって複合光学系において焦点位置を確定し、パルスレーザのエネルギ80mW程度であれば、泡を発生させるときにボールレンズを破損させない条件を決定した。さらに、くさびによるプリズムとの点接触状態を構築しその周囲に水を付着させることによって、閉じ込め効果の発現を試みた。その結果、水を付着させて刑を閉じた系にすることによって、水なしの開放系と比較して8倍以上の強度の超音波が励起できた。これらの知見を総動員して引き続き近接場光による超音波励起に関する検討を進める。
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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
近接場光のような局在光を使用した場合、非常に微弱な光で対象となる材料に振動を励起するエネルギを与えるが、これができているかどうかを確認するために、エバネッセント光によるエネルギ投与と、くさび波による発生した超音波の確認の刑を構成した。くさび波は尖鋭な刃の先端を伝播する1次元の進行波動であり、分散性が低く、エネルギが拡散しないことによる長距離伝播が可能で、なおかつバルク波と比較して振幅が大きく音速が低いという計測場のメリットを有する波動である。したがって、くさび波を利用すると微弱な超音波を拡大することが可能であり、なおかつプリズム－試料間を点接触の配置にすることで、従来の平面同士の接触における表面粗さの問題を回避して、接触不良問題を解決することができる。これまでにエバネッセント光によるくさび波の励起に成功しており、既に基本的な光学系の構築ができている。全反射点に水を配して閉じた系を形成し、くさび波を励起したところ、水なしの場合と比較して8倍以上の強度の超音波が得られた（閉じ込め効果）。また、この構成によって水中の極浅い領域（数100 nm）が加熱されて、局所的に発光および沸騰することは確認できており、アブレーションが起きていることも確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの取り組みによって、エバネッセント光によるくさび波の励起に成功しており、基本的な光学系の構築ができている。これを利用して、近接場光やエバネッセント光を利用したドラッグデリバリの検討を行う。医学・薬学の分野では、投薬技術が先行して発展し、医薬品の開発を牽引してきた歴史がある。例えば錠剤、カプセル剤、注射、といった古典的な投薬技術は19世紀中頃にはすべて開発されており、最近では、mRNAやアンチセンスDNA、デコイ核酸等のオリゴによって、セントラルドグマ（遺伝情報）そのものを制御する核酸医薬が、新しい概念の「薬」として注目を集めている。適切な分量の医薬品を標的に対してピンポイントに、正確なタイミングで送り込む制御投薬技術：ドラッグデリバリーシステム（DDS）の重要性が認識されつつある。2000年以降にレーザ超音波技術を利用したDDSが複数提案されており(Adv. Drug Deliv. 56, 559, 2004等)、パルスレーザの衝撃圧力によって生体表面の障壁を越えて薬剤を内部に浸透・拡散させる技術が実現した。しかしながら、これらの技術では強力なパルスレーザのアブレーションを利用しており、ビーム集束点周りの影響圏が広過ぎて、デリケートな組織に適した手法ではない。エバネッセント光は、光が媒質界面で全反射するとき、急激に減衰しながら媒質の外側に染み出す光である。この微弱な光を利用して標的の極浅領域に超音波の励起を行う。そしてその時の衝撃圧力を駆動力として、微小物質（核酸医薬を想定）の拡散を増強させる検討を行う。経皮DDSを1つの目標として検討を進める。まず、1/6球形プリズムに対してパルスレーザを打ち込み、全反射点でE光を発生させる。その周囲に薬液を配し、本課題で確認した閉じ込め効果による超音波の増大を利用して、エバネッセント光の衝撃圧力で経皮的に薬剤を導入する。
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| Causes of Carryover |
パルスレーザが故障し、実験が中断したため。
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