2014 Fiscal Year Research-status Report
フォトサーマル・フルイディクスの原理開拓とナノバイオ応用
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26610089
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
飯田 琢也 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10405350)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
床波 志保 大阪府立大学, 21世紀科学研究機構, 講師 (60535491)
児島 千恵 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50405346)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 光物性 / 表面・界面物性 / 流体工学 / 分析科学 / 薬学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
流体中に分散したナノ粒子集合系内部の電子励起状態の集団モードの特性を、光発熱効果を通じて「マクロな流れ」に変換して機能性界面を形成するための原理を解明することが目的であり、熱応答性の被検出物質の分析法開発や、ドラッグデリバリーシステム(DDS)等のバイオ応用等への展開も目指している。初年度は予備的実験の成果を発展させ、常温水中に分散した球殻状銀ナノ粒子集積構造体にレーザーを照射した際に光誘起力でトラップされた構造体を核としてサブｍｍオーダーの巨視的なバブルと激しい対流が発生することを詳細な観察により明らかにした。特に、この取組により、フラクタル状の銀ナノ粒子の集積構造体である「プラズモニック・ベシクル」の形成可能性を示唆し、バブルの生成過程を熱力学的理論を援用して解析し、初期の膨張過程では分散媒である水が蒸発して水蒸気となりサイズ増大に寄与した可能性が高いことを示した。さらに、このような高い光発熱効果を示す球殻状銀ナノ粒子集積構造体の濃度を変えて、卵白の主成分であるアルブミンを添加した実験も行ったところ、高濃度の場合の方が早くレーザースポット近傍で熱凝固が起こり、数秒程度でpgオーダーの微量検出ができる可能性を示唆した。さらに、異なる種類のタンパク質を含む実サンプルで、熱凝固の仕方に差異が見られることを明らかにし、フォトサーマル・バイオセンサの基礎原理開拓に繋がる重要な知見も得られ始めている。この他、白色光を球殻状金ナノ粒子集積構造体を高密度集積した系にデフォーカスした状態で照射した場合に数分で70℃近くまで温度上昇する条件も明らかにした。加えて、スパッタリングで形成した光吸収性の薄膜にレーザー照射することで、有機分子の光集積にも成功し、DDS応用と関連したナノ材料の巨視的高密度集積化の原理構築に繋がる知見も得られ始めている。
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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
『項目(A)金属ナノ粒子集積系でのプラズモニック発熱効果による光誘起流体効果の機構解明』、および『項目(B)光誘起バブル発生によるナノ材料の巨視的高密度集積化の原理構築】に関連して、初年度は「研究実績の概要」で述べたように光誘起バブルの成長過程に関する実験の進展が著しく、熱力学的理論を援用した理論解析も進めることができた。また、『項目(C)巨視的界面の形成プロセスを利用した生体分子検出、新奇薬物搬送体の形成への応用」と関連して、計画の最終目標の一つである分析技術への応用に関しても熱凝固性タンパク質を用いた実験で迅速性・高感度の両方を兼ね備えたバイオセンサへの応用可能性を示せた点は特筆すべきである。さらに、現在開発中の光誘起力ナノ・メトロポリス法(LNMM)にこの熱力学的理論と流体力学的効果を取り入れたシミュレーション法の開発についても鋭意検討を進めており、原理の解明に向けた見通しは明るい。また、光吸収性のナノ薄膜にレーザー照射をして発生したバブル表面に有機分子の集積化できることを示し、ＤＤＳ応用に向けたナノ材料集積に関する重要な知見を得ただけでなく、異種のマイクロ物質を混合した系で特徴的な配列構造を示す構造体が形成できる可能性を示す予想外の結果も得られ始めており今後の展開が期待される。
※本課題と関連し、以下の受賞があった。
[1] Excellent in Poster award (2014 2nd TKU-OPU and 4th TKU-ECUST-OPU-KIST International Symposium)(2014/9/25-27, 於：台湾)、発表者：Y. Nishimura, K. Nishida, Y. Yamamoto, S. Ito, S. Tokonami, T. Iida [受賞者：Y. Nishimura]、受賞日: 2014/9/26
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| Strategy for Future Research Activity |
目的達成に向け、2年度の取組として、球殻状金属ナノ粒子集積構造体を用いた生体分子検出の課題に関しては、実サンプルを用いた場合についても詳細な検討を行いたいと考えている。また、白色光を用いた構成でも高い発熱効果を示す条件があることにも注目し、強集光条件での白色光による光誘起バブルの発生可能性についても探る予定である。さらにＤＤＳ応用を目指すに当たり有用と考えられている有機高分子から成るナノカプセルを高密度集積するための条件探索も重要課題であり、積極的に取り組みたいと考えている。溶媒の種類に関しても水以外に有機溶媒を用いた場合についても検討する。また、多数のナノ物質の光学応答を自己無撞着に評価しながら、それらが光照射下で熱源となった場合の流体効果についても検討して新奇理論手法を構築することで実験における最適条件の探索と、実験結果の解析を加速したいと考えている。
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| Remarks |
【新聞・メディア発表】成果の一部[Nanoscale 7, 7580 (2015)]が日経産業新聞(2015/4/28)等で紹介された。
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[Journal Article] A High Performance Photothermal Film with Spherical Shell-type Metallic Nanocomposites for Solar Thermoelectric Conversion2015
Author(s)
A.Kosuga*, Y.Yamamoto, M.Miyai, M.Matsuzawa, Y.Nishimura, S.Hidaka, K.Yamamoto, S.Tanaka, Y.Yamamoto, S.Tokonami, T.Iida*
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Journal Title
Nanoscale
Volume: 7
Pages: 7580-7584
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Bio-inspired selective assembling of plasmonic nanoparticles under designed light and fluctuations2014
Author(s)
T.Iida, M.Tamura, S.Hidaka, H.Hattori, T.Hamada, K.Nishida, S.Tokonami, T.Itoh, H.Yamauchi, H.Miyasaka, S.Ito
Organizer
The 25th IUPAC Symposium on Photochemistry
Place of Presentation
The Congress Center, Bordeaux, France
Year and Date
2014-07-13 – 2014-07-18
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[Presentation] Theory for Bio-inspired Optical Manipulation under Fluctuations2014
Author(s)
T. Iida, M. Tamura, S. Hidaka , H. Hattori , T. Hamada , K. Nishida , S. Tokonami, T. Itoh , H. Yamauhi , H. Miyasaka, S. Ito
Organizer
Optical Manipulation Conference'14 (OMC ’14)
Place of Presentation
Pacifico Yokohama
Year and Date
2014-04-22 – 2014-04-25
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