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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Dynamical flow control of nanoparticles by machine learning and its application to single molecule identification technologies

Research Project

Project/Area Number 18H05242
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

川野 聡恭  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (00250837)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 土井 謙太郎  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20378798)
辻 徹郎  京都大学, 情報学研究科, 准教授 (00708670)
山崎 嘉己  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (80926288)
Project Period (FY) 2018-06-11 – 2023-03-31
Keywords分子流体力学 / Nanofluidics / ナノ粒子流 / 一分子計測 / 機械学習
Outline of Annual Research Achievements

Nanofluidic流路における粒子の狭小検査部通過によるイオン電流信号変化に関し,機械学習と大偏差原理を基に,供試実験データを用いた4種類のコロナウイルス(HCoV-229E, SARS-CoV, MERS-CoV, SARS-CoV-2)識別を試みた.著名な機械学習ライブラリを利用した場合と比較して,1/8の特徴量数で正答率を1.4倍程度向上させた.ナノ粒子流の可視化観察と電流検知の同時実行を可能とした実験技術優位性を最大限活用可能な簡便かつ汎用的で,統計力学的背景の明確な新手法開発に成功したと言える.

一辺約3 μmの立方体状の空間を持つオリフィスに直径2 μmのマイクロ粒子を光捕捉し,狭窄部における一粒子(直径500 nm)の電気的検出が可能となった.紫外線露光装置では,最小3 μmの寸法が精度の限界であったため,直径1 μmを下回る粒子の電気的検出は困難であった.本実験系は,Micro-to-nano Bimodal Sensing流路として発案され,光捕捉する粒子の直径を変えることのみにより,電流検出用ナノギャップ間隔を精密制御可能である.高価な電子線描画装置や流路形状変更によるプロセス毎の試行錯誤を必要とせず,コスト的にも著しく優れている.

光圧による粒子捕捉を利用し,熱泳動の起源となるすべり流を可視化する実験手法を新たに構築した.まず,流路壁面に固定したマイクロ粒子の周りに集光レーザーを同心円状に高速スキャニングし,トレーサーを光捕捉する.その後,加熱用レーザーをマイクロ粒子近傍に照射し,流体の温度勾配を生成させると,マイクロ粒子周りにすべり流が生じ,トレーサーが熱源側へ移動する.本手法により,ターゲット周りで熱的に誘起される特殊流れの詳細を調べることが可能となり,正負熱泳動の起源に関する本質的解明並びにLI-MSTにおけるナノ粒子選択機能の向上が期待される.

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Remarks

表彰(学会賞)
山崎嘉己,日本機械学会奨励賞(研究) (2023),梅世哲,優秀研究賞,第17回ICTイノベーション (2023),梅世哲,日本機械学会若手優秀講演フェロー賞,日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム (2022),辻徹郎,日本流体力学会竜門賞 (2022).

  • Research Products

    (36 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (28 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 6 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] A simple model for laser-induced thermal convection in a microchannel2023

    • Author(s)
      Saito Shun, Tsuji Tetsuro, Taguchi Satoshi
    • Journal Title

      Proceedings of SPIE

      Volume: - Pages: -

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Local Electric Field and Electrical Conductivity Analysis Using a Glass Microelectrode2022

    • Author(s)
      Kishimoto Tatsunori、Doi Kentaro
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 7 Pages: 39437~39445

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c05973

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Optical trapping in micro- and nanoconfinement systems: Role of thermo-fluid dynamics and applications2022

    • Author(s)
      Tsuji Tetsuro、Doi Kentaro、Kawano Satoyuki
    • Journal Title

      Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews

      Volume: 52 Pages: 100533~100533

    • DOI

      10.1016/j.jphotochemrev.2022.100533

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Micro-to-Nano Bimodal Single-Particle Sensing Using Optical Tweezers2022

    • Author(s)
      Doi Kentaro、Yamamoto Kyohei、Yamazaki Hiroki、Kawano Satoyuki
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 126 Pages: 10713~10721

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c00593

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Oscillation Characteristics of an Artificial Cochlear Sensory Epithelium Optimized for a Micrometer-Scale Curved Structure2022

    • Author(s)
      Yamazaki Hiroki、Kohno Yutaro、Kawano Satoyuki
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 13 Pages: 768~768

    • DOI

      10.3390/mi13050768

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Direct print of close-packed gold nanoparticle microdots with optical vortex illumination2022

    • Author(s)
      Kawaguchi Haruki、Takahashi Kanta、Wei Rong、Yamane Keisaku、Yuyama Ken-ichi、Kawano Satoyuki、Morita Ryuji、Aoki Nobuyuki、Miyamoto Katsuhiko、Omatsu Takashige
    • Journal Title

      Proceedings of SPIE

      Volume: 124790J Pages: -

    • DOI

      10.1117/12.2659014

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 集光レーザーによるマイクロ流路内の熱対流の解析2023

    • Author(s)
      齊藤駿,辻徹郎,田口智清
    • Organizer
      シンポジウム:先端数理科学の目指すもの ―現象にかかわる「理」を理解する―(先端数理科学シンポジウム)
  • [Presentation] 特性線法を用いた分子気体流れの解析2023

    • Author(s)
      辻徹郎
    • Organizer
      第43回計算数理工学フォーラム
    • Invited
  • [Presentation] 光熱変換の分子流体力学への展開2023

    • Author(s)
      辻徹郎
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会,シンポジウム「ナノ光熱変換が拓く異分野横断型光科学の新地平」
    • Invited
  • [Presentation] 外有毛細胞を模倣した振動制御による小型人工聴覚上皮の高機能化2023

    • Author(s)
      宅和 天,川野 聡恭,山崎 嘉己
    • Organizer
      日本機械学会関西支部2022年度関西学生会卒業研究発表講演会
  • [Presentation] ナノ流体デバイスと光ピンセット技術を用いた銀ナノ粒子のイオン電流検出2023

    • Author(s)
      野村 宙希,山崎 嘉己,川野 聡恭
    • Organizer
      日本機械学会関西支部2022年度関西学生会卒業研究発表講演会
  • [Presentation] 光渦に駆動されるDNAの流動シミュレーション2023

    • Author(s)
      本多 泰己,山崎 嘉己,川野 聡恭
    • Organizer
      日本機械学会関西支部2022年度関西学生会卒業研究発表講演会
  • [Presentation] フルフィールド振動計測を用いた人工聴覚上皮の時間応答解析2023

    • Author(s)
      加納 康平,山崎 嘉己,川野 聡恭
    • Organizer
      日本機械学会関西支部2022年度関西学生会卒業研究発表講演会
  • [Presentation] 電気的特性の計測に基づく弓形人工聴覚上皮の周波数弁別能評価2023

    • Author(s)
      山﨑 督三,山崎 嘉己,川野 聡恭
    • Organizer
      日本機械学会関西支部2022年度関西学生会卒業研究発表講演会
  • [Presentation] ナノ流路のイオン選択性を用いたpHセンサーの開発2023

    • Author(s)
      高木肇志,白井孝典,岸本龍典,土井謙太郎
    • Organizer
      日本機械学会東海支部第72期総会・講演会
  • [Presentation] 単一微粒子検出のためのナノ流路の作製と評価2023

    • Author(s)
      近藤有馬,岸本龍典,土井謙太郎
    • Organizer
      日本機械学会東海支部第72期総会・講演会
  • [Presentation] 光と熱を用いた微小物質操作に関する実験とモデル化2023

    • Author(s)
      辻徹郎
    • Organizer
      生物とソフトマターに関する理論とシミュレーションについての研究会
    • Invited
  • [Presentation] 光ピンセットされたトレーサーによるマイクロ流れの可視化2023

    • Author(s)
      梅世哲,辻徹郎,田口智清
    • Organizer
      第 17 回 ICT イノベーション
  • [Presentation] 光圧の影響を受けて今2023

    • Author(s)
      土井謙太郎
    • Organizer
      新学術領域研究「光圧ナノ物質操作」若手領域会議
    • Invited
  • [Presentation] ナノ構造を用いた局所計測技術の現状と展開2023

    • Author(s)
      土井謙太郎
    • Organizer
      第6回 日本機械学会機能性流体工学研究会
    • Invited
  • [Presentation] Optothermal manipulation of particles in microfluidic systems2022

    • Author(s)
      Tsuji Tetsuro
    • Organizer
      Japan-France Joint Workshop “Interacting Particle Systems and Fluid Mechanics: Theory and Applications"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of microscale pH sensor using ionic current rectification2022

    • Author(s)
      Kishimoto Tatsunori、Doi Kentaro
    • Organizer
      Nineteenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Classification of ion current pulses by machine learning methods integrating large deviation principles2022

    • Author(s)
      Maegawa Naoki, Yamazaki Hiroki, Doi Kentaro, and Kawano Satoyuki
    • Organizer
      Nineteenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Direct Optical Vortex Laser Printing of a Microdot with Close-Packed and Sintered Gold Nanoparticles2022

    • Author(s)
      Kawaguchi, H., Wei, R., Yamane, K., Yuyama, K.-I., Kawano, S., Morita, R., Toyoda, K., Miyamoto, K., Omatsu, T.
    • Organizer
      Optics InfoBase Conference Papers
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マイクロ・ナノ流路を用いたpH計測法の開発2022

    • Author(s)
      高木肇志,白井孝典,岸本龍典,土井謙太郎
    • Organizer
      日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [Presentation] 微小ガラス電極による電解質溶液の導電率と温度依存性の定量評価2022

    • Author(s)
      岸本龍典,安藤東生,土井謙太郎
    • Organizer
      日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [Presentation] 希薄濃度を評価するためのマイクロ・ナノ流路の作製2022

    • Author(s)
      齋藤國太郎,岸本龍典,土井謙太郎
    • Organizer
      日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [Presentation] 温度勾配によって生じるマイクロ粒子周りの流れの可視化手法の検討2022

    • Author(s)
      梅世哲,辻徹郎,田口智清
    • Organizer
      日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [Presentation] 動物実験用人工聴覚上皮における周波数弁別能のin vitro 評価2022

    • Author(s)
      明神 一樹,山崎 嘉己,川野 聡恭
    • Organizer
      日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [Presentation] 流体構造連成解析に基づく弓形人工聴覚上皮の液中における周波数弁別能評価2022

    • Author(s)
      山崎 嘉己,川野 聡恭
    • Organizer
      日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [Presentation] ナノ流路を用いたイオン種の識別に関する数値解析2022

    • Author(s)
      土井謙太郎
    • Organizer
      日本機械学会第100期流体工学部門講演会
  • [Presentation] 熱泳動を用いた微小粒子輸送に関する実験および数理的研究2022

    • Author(s)
      辻徹郎
    • Organizer
      日本流体力学会年会 2022
    • Invited
  • [Presentation] 局所場電場計測による導電率の直接評価手法の確立2022

    • Author(s)
      岸本龍典,土井謙太郎
    • Organizer
      日本機械学会2022年度年次大会
  • [Presentation] 光熱効果により誘起される熱泳動と熱対流の共存状態における流路高さの影響2022

    • Author(s)
      辻徹郎,田口智清,髙松宏基
    • Organizer
      日本機械学会2022年度年次大会
  • [Remarks] 大阪大学基礎工学研究科 川野研究室 ホームページ

  • [Remarks]

    • URL

      https://bnf.me.es.osaka-u.ac.jp

URL: 

Published: 2023-12-25  

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