2012 Fiscal Year Annual Research Report
レーザー過渡力学解析による細胞・組織内の応力テンソルの解明
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24360027
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
細川 陽一郎 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 特任准教授 (20448088)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | フェムト秒レーザー / 原子間力顕微鏡 / 生体計測 / 衝撃波 / 力学作用 |
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| Research Abstract |
フェムト秒レーザー誘起衝撃力が微小生体試料に引き起こす運動をAFM探針のねじれ運動として検出できる精度についての基礎検討を行った。AMFの検出用レーザー、AFM探針、四分割フォトダイオード(QPD)の幾何配置より、AFM探針の縦方向の1nmの振れ幅の検出精度に対応するAFM探針のねじれ角は10^<-3>度であると見積もられた。つぎに有限要素法を用いた数値シミュレーションより、本実験で使用しているAFM探針にμN程度の力が作用したとき、10^<-3>度のねじれが生じることが示された。細胞程度大きさの微小生体材料に運動を引き起こすための力は州程度であるとされており、本実験装置により微小生体材料の運動を検出できることが示された。つぎに、顕微鏡下でAFM探針の横にフェムト秒レーザーを集光し、AFM探針のねじれ運動を誘導し、基礎検討の結果の妥当性を実験的に確かめた。AFM探針に対して衝撃力を作用させたときのQPDで検出されるレーザーの横方向の移動量より、μN程度の衝撃力がAFM探針に作用したとき、10^<-3>度のAFM探針のねじれが誘導されることが示された。つぎに、生体材料を用いた実験の前段階として、太さ280μm長さ500μmのナイロンワイヤー(NW)を顕微鏡下に配置して実験を行った。この実験では、NW、AFM探針、レーザー集光位置を独立して調整する必要があり、そのためにAFMヘッドを配置した顕微鏡ステージの上で、NWの位置を独立して調整できる手動ステージを構築した。NWを水に浸し、NWの脇50μm程度の位置にフェムト秒レーザーを集光し、衝撃力によりNWの弾性振動を誘起し、その弾性振動を10^<-3>度程度のAFM探針のねじれ運動として検出することに成功した。
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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
本年度、本研究で目的とするフェムト秒レーザー誘起衝撃力を使った新規計測システムについての基礎検討を計算やシミュレーションにより示すだけでなく、その妥当性を実験的に示すことができた。これらの結果より、実際に生体材料を試料として用いた実験においても、原理的な障壁は生じないことが証明された。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度得られた基礎検討の成果に基づき、この新規システムで実際の生体試料の計測を進めていく。物理学の観点から、実験結果の定量を進めていき、さらには生物学の観点から本計測手法の有効性を示す微小生体試料を模索し、従来方法では取得することが不可能であった材料内の力学情報を調べていきたい。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
前年度、実際の生体試料を用いずに本計測手法の妥当性を十分に検証できたため、そのために考えていた試料の準備費が大幅に節約されて持ち越された。次年度からはこの経費も活用し、高度で有用な微小生体試料の準備を進めていく。さらに、フェムト秒レーザーシステムの強化を図って研究期間中に実験を安定に行える状態を確保する。
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