2013 Fiscal Year Annual Research Report
毎秒１０００コマ撮影可能な化学イメージセンサの開発と反応ダイナミクス解析への応用
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24310098
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
吉信 達夫 東北大学, 大学院医工学研究科, 教授 (30243265)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 浩一郎 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70447142)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 化学センサ / 化学イメージ / 反応ダイナミクス |
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| Research Abstract |
本研究は、溶液・ゲル・細胞・生体組織などの試料をセンサ面上に載せるだけで、試料内のイオン分布を毎秒1,000コマのスピードで動画撮影することができる、従来にはない新しいタイプの半導体化学／バイオセンサシステムの実現と、このセンサシステムによって得られる動画データを用いた、反応ダイナミクス解析の新しい手法の開発を目的としている。本年度は以下の結果を得た。
従来の化学イメージセンサシステムにおいては、センサ信号である電流波形を動画記録時間にわたって全て収録した後に演算を行って各コマ各画素の値を求めていたが、この方式では試料中の化学反応をリアルタイムに観察することができなかった。そこで、FPGAを用いて各画素の値を並列計算することにより、各コマの積分時間終了から約10μ秒後に1コマ分の画像を生成できるようにした。視認用には毎秒数10フレームの動画をリアルタイムで表示し、事後の演算によって記録用の高フレームレート動画を生成するという使い方が考えられる。
64画素で毎秒1,000コマの測定を行うためには、最低でも64 kHz分の周波数帯域が必要であり、さらに高調波の影響を受けないためには例えば64～127 kHzの変調光を用いる必要がある。高い周波数でも十分な信号が得られるように、センサ基板の厚さ・不純物濃度・光波長・光強度・変調周波数などのパラメータを調整する必要がある。そこで、光吸収によるキャリア生成や拡散を考慮した物理モデルによるデバイスシミュレーションを実施し、センサの出力がどのように変わるかを調べた。また、これらのパラメータによって空間分解能がどのような影響を受けるのかについても調べた。
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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
当初予定通り高周波動作センサの設計指針が得られ、また2年目の目標を上回る毎秒200コマの動画記録を達成している。さらに試料内のイオン分布をリアルタイムに表示する機構も開発した。
高速化学イメージセンサシステムの応用については、マイクロ流路測定システムの試作、バイオセンシング機能の付与について既に実施しており、いずれも計画を前倒しで実行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度に行ったデバイスシミュレーションによって高周波動作に対応したセンサ基板の設計の指針が得られたので、これをもとに化学イメージセンサシステムのさらなる高速化を行い、平成26年度は毎秒1,000コマでの動画記録を目指す。また、動画のリアルタイム表示についてもフレームレートの向上やリアルタイムでの画像補正の可能性について検討し、さらなる改良を行う。
また、高速化学イメージセンサシステムを使用したマイクロ流路内での反応の解析について以下の2つの実験を行う。まず、層流境界におけるイオン拡散係数を測定して試料中に含まれるイオンの分子量を求める実験を行い、この手法が適用できる範囲や精度、応用の可能性について検討する。また、マイクロ流路中に酵素チャンバなどを設けて、チップ上で混合・撹拌・反応・検出を連続的に行うバイオセンサシステムについて、その検出限界やスループットについて調査する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初本研究で使用するFPGAボードの購入を予定していたが、3年目以降の研究に伴う新しい機能付加によって、必要な容量の増加が見込まれることから、3年目以降にあらためて必要な容量を見極めることとし、本年度は購入を見送って手持ちのFPGAボードを使用した。
3年目以降、必要な容量のFPGAボードの購入に充てる予定である。
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Research Products
(17 results)
