2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of filter-free hyperspectral image sensor and its application
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20K14790
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
崔 容俊 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80868828)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | バイオセンサ / 蛍光検出 / フィルタフリー / ハイパースペクトル / イメージセンサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
①センサの設計・製作(1pixel)：高速に波長を識別するため、センサ中に発生する複数の光電流に着目してTriple-well構造のフィルタフリー蛍光検出センサを製作した。プロセスシミュレータであるTCADを用いてプロセス条件を確立し、CMOSプロセスより波長識別が可能なセンサの製作を行った。
②センサの設計・製作(アレイ化)：Triple-well構造のフィルタフリー蛍光イメージセンサを実現するため、100×100 μmのセンシングエリアをもつセンサを16×16 pixelで、1pixelあたり80 μs以上の積分時間を想定して設計を行った。
③センサの評価：フィルタフリー多波長検出センサを用いて、各波長405、470、530、595 nmに対して0.029、0.133、0.561、1.543と明らかに異なる電流比が得られ、提案する手法を用いて波長を識別できることを実証した。さらに、可視光領域で単一波長を0.1 nm以下の分解能が確認された。
④バイオへの応用：PDMSマイクロ流路と製作したフィルタフリー蛍光センサを一体化させ、オンチップマイクロフロー計測システムの実証を行った。直径31μmの緑(508 nm)と赤(612 nm)色の蛍光ビーズを流路に導入し、各ビーズから放出される蛍光を測定した。提案したIpgおよびIn-wellの電流比を用いて、光学部品を用いることなく蛍光ビーズを識別することに成功した。この結果より、実際に細胞を扱う大規模な蛍光顕微鏡やフローサイトメーターが導入されている生化学および医療分野への応用が期待される。
⑤小型化に向けた測定システムの製作：オペアンプによるI-V変換回路、16 bitのA/Dコンバータ、マイコンを用いることでセンサの測定システムを構成し、数pAオーダーである光電流の計測に成功した。
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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
提案した課題の項目について、計画の通り順調に進展していたと考えられる。
①センサの設計・製作(1pixel、アレイ化)：提案したTriple-well構造のセンサを設計およびプロセス条件を確立し、本学のLSI施設でセンサの製作を行った。【おおむね順調に進展している。】
②センサの評価：製作した1pixelのセンサを用いて、波長分解能の実験を行い、予測より高い感度の分解能(λ：<0.1nm)が得られている。【当初の計画以上に進展している。】
③バイオへの応用：製作した1pixelのセンサを用いて蛍光ビーズの定量を行った。複数の蛍光ビーズに対して、複数の波長を識別され、今後の予定である細胞の定量への応用が期待される。【おおむね順調に進展している。】
④小型化に向けた測定システムの製作：オペアンプによるI-V変換回路、16 bitのA/Dコンバータ、マイコンを用いることでセンサおよび測定システムを構成し、数pAオーダーである光電流の計測に成功した。【おおむね順調に進展している。】
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| Strategy for Future Research Activity |
・今後の研究について、初年度に提出した計画の通りに行う。
①センサの設計・製作：(R3.前期)分光イメージングを行うため、各画素に独立されたn-wellを形成した、フィルターフリハイパースペクトルイメージを設計・製作する。(R4.前期)生体挿入型(in-vivo)のフィルターフリイメージングセンサを製作する。
②センサシステムの開発：(R3.前期)ウィルスなどをリアルタイムでで検出可能な蛍光検出システムを製作する。(R3.後期)3次元のデータ(波長・空間・時間)をLabviewまたはMatlabを用いて同時に取得できるシステムを製作する。(R4.前期)生体挿入型(in-vivo)の測定システムを開発する。
③センサの評価およびバイオへの応用：(R3.前期)標的RNAの増幅による蛍光を検出する。(R3.後期)ラベリングされた細胞または蛍光ビーズなどを用いて放出される蛍光のイメージングを行う。(R4.後期)バイオイメージングの応用として、生体挿入型(in-vivo)センサの評価を行う。
④研究成果の報告：(R3.前期)国内学会、国際会議 (R3.後期)国内学会、論文投稿 (R4.前期)国内学会、国際会議
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| Causes of Carryover |
コロナ感染拡大の影響で計画した国際会議・国内学会が中止またはオンライン会議に変更され、初年度に予定した旅費に対して、次年度使用額が生じた。次年度使用額である55,664円は応用実験に向けた蛍光試薬を購入する予定である。
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Research Products
(10 results)
