2021 Fiscal Year Research-status Report
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21K18883
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| Research Institution | Fukuoka University |
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Principal Investigator |
山本 大輔 福岡大学, 理学部, 教授 (80377902)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 走査プローブ顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 生物物理 / 1分子計測 / 蛋白質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
カンチレバーは原子間力顕微鏡測定で用いられる微小な板バネであり、周囲の分子との衝突により絶えず熱的に揺らいでいる。カンチレバー先端に取り付けられた探針と試料表面との相互作用により、カンチレバーの熱揺らぎの大きさは変化する。ゆらぎに関わる測定量には、弾性エネルギーのゆらぎの他にもカンチレバーの熱的な振舞に関わる情報が含まれている。本研究では、これらの熱的な情報を利用してナノ構造物性を可視化する新規な高速原子間力顕微鏡測定法の開発を行う。本年度は、カンチレバーの速度エネルギーの検出方法を確立するために測定機器の製作を行った。カンチレバーのたわみ信号を微分回路により速度信号に変換することで熱揺らぎの速度成分の信号を得た。次に、探針と試料表面が相互作用する際、カンチレバーのたわみ信号と速度信号がそれぞれどのような変化を示すかを明らかにするため、揺らぎ信号のスペクトル測定を行った。試料には硬い雲母とやわらかい脂質膜を用いて比較した。その結果、探針と試料との間に働く力が弱い領域で、カンチレバーの共振周波数とQ値の変化に差が見られた。これにより、硬い試料とやわらかい試料をイメージングした際に速度信号の変化に差が生じると考えられる。また、微分回路で得られた速度信号は高い周波数領域に多くのノイズ成分を含み、このノイズが測定の精度を下げていることがスペクトル解析により明らかになった。測定精度を向上させるため、カンチレバーのたわみ信号に含まれる電気ノイズを低減させるように回路を見直すとともに、微分された信号の高周波領域のノイズを除去する対策を講じた。
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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
当初の予定通り、カンチレバーの熱揺らぎの速度成分の信号を十分な精度で取得することができた。微分回路により生成した速度成分信号のスペクトルは、単純な調和振動子モデルより得られる曲線と良い一致を示した。そのため、解析に必要な精度は十分に得られていると判断した。さらに、熱揺らぎの速度成分の信号の変化の仕方は試料に依存することをスペクトル解析により明らかにした。また、本研究では種々のカンチレバーの熱力学パラメーターの取得を目標としているが、今回たわみ信号と速度信号が同時に得られたことによって内部熱エネルギー信号の取得が可能となった。以上の理由により、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は引き続き熱揺らぎスペクトルの解析と電子回路の改良により低ノイズ化を行い、製作した検出器を用いて試料表面構造とカンチレバー速度揺らぎの同時イメージングを行う。さらに、フォースカーブ測定によりカンチレバーの熱的挙動に関わるパラメーターの取得に取り組む。具体的には、次の方法で実験を進める。
1. 熱揺らぎスペクトル解析と速度揺らぎ同時イメージング：硬い雲母に加え、硬さの異なる二種類の脂質（DPPCとDOPC）を用いてスペクトルの変化を測定する。スペクトルに含まれるノイズ成分の大きさを解析し、必要に応じて速度ゆらぎ検出器の改良を行う。同時イメージングには、雲母、DPPC、DOPCが混在する系を用い、速度揺らぎ画像を取得する。得られる画像のコントラスト生成の仕組みをスペクトル解析の結果から考察する。
2. カンチレバーの熱的挙動に関わるパラメーターの取得：フォースカーブ測定により力の曲線を得る。そのデータと本年度の研究で取得可能となった内部エネルギー信号を基にカンチレバーの熱力学的パラメーターを再構成する。測定は雲母と脂質表面でそれぞれ行う。
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| Causes of Carryover |
本年度は速度揺らぎのスペクトル測定に注力したため、速度揺らぎ検出器の製作と改良のための費用を全額使用しなかった。次年度は、検出器の改良とそれに付随する電子回路部品の購入費に使用する。
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