| Project/Area Number |
22H00303
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
安井 武史 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 教授 (70314408)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤方 潤一 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 教授 (00869159)
南川 丈夫 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (10637193)
松浦 善治 大阪大学, 感染症総合教育研究拠点, 特任教授(常勤) (50157252)
久世 直也 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 准教授 (50852258)
坂根 亜由子 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(医学域), 准教授 (60509777)
田上 周路 高知工科大学, システム工学群, 准教授 (80420503)
時実 悠 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 講師 (80648931)
加治佐 平 東洋大学, 学際・融合科学研究科, 准教授 (00643123)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000)
Fiscal Year 2024: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
Fiscal Year 2023: ¥14,300,000 (Direct Cost: ¥11,000,000、Indirect Cost: ¥3,300,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
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| Keywords | 光コム / マイクロ光コム / バイオセンサー / 新型コロナウイルス / バイオセンシング / 屈折率センシング |
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| Outline of Research at the Start |
新型コロナウイルスを簡易かつ高感度に検出し、その場で迅速に感染確定診断を下せる医療体制の確立は、ウィズ・コロナ社会において極めて重要である。本研究では、次世代レーザー『光周波数コム（光コム）』を、光源としてではなく光バイオセンサーそのものとして利用し、感染症ウイルスのRNAまたはタンパク質抗原を標的とした診断プローブを高度表面分子修飾技術で導入することにより、全く新規の『光ウイルスセンサー』を実現する。本研究開発により、新型コロナウイルスのみならず、近い将来に我々が再び直面するリスクの高い新興・再興感染症の未知ウイルスに対して、迅速診断の先取り対応を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次世代レーザー光源「光コム」を用いたバイオセンシングの高感度化・高精度化を目的に、バイオセンシング・ファイバー光コムおよびマイクロ光コムの開発を進めた。まず、バイオセンシング・ファイバー光コムに関しては、機械共有型デュアルファイバー光コム構成を導入することで、センサー信号に影響する温度ドリフトを補償するアクティブ・ダミー温度補償法の実装に成功した。基本特性評価の結果、その有効性を確認するとともに、デュアル光コムの繰り返し周波数差の低い構成の方が補償効果は高いことを見出した。また、感度向上を目指し、ファイバー光コム出力を光伝導アンテナに導入し、繰り返し周波（frep）の高次高調波（約3000次）をTHz帯で発生させ（THzコム周波数逓倍法）、基準THz信号とのミキシングによりRF帯のビート信号を生成する手法を確立した。これにより、frep変化の高次逓倍読み出しによるセンシング感度の向上を実証した。
一方、SiN光導波路を用いたリング型微小光共振器を用いたマイクロ光コムの開発においては、励起方式として高速波長掃引方式と熱平衡方式を比較検討した。熱平衡方式において、安定なソリトンマイクロ光コム（frep=300GHz、560GHz）の生成に成功した。また、バイオセンシング応用において重要な指標となる位相ノイズ評価により、周波数オフセット10kHzにおいて-70dBc/Hzの性能を確認した。一方で、長時間の安定動作に課題が残されており、今後の改良点として認識している。
これらの成果は、PCR法を超える感度と迅速性を備えた「光ウイルスセンサー」の実現に向けた重要なステップであり、SARS-CoV-2をはじめとする新興・再興感染症の超高感度・迅速診断に資する基盤技術として意義が大きい。
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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
本研究では、光コムを用いたバイオセンシングの高感度化を目指し、バイオセンシング・ファイバー光コムとマイクロ光コムの開発を進めている。ファイバー光コムでは、アクティブ・ダミー温度補償法を導入した機械共有型デュアル構成により温度ドリフトの補償に成功し、その有効性と補償条件を明らかにした。また、frep信号の高次高調波をTHz帯に変換・読み出すことで、感度向上も実現した。マイクロ光コムでは、SiN製リング共振器における熱平衡方式により、frep=300GHzおよび560GHzの安定なソリトン生成に成功し、-70dBc/Hz（10kHzオフセット）の低位相雑音特性を確認した。これらの成果は、高感度かつ迅速な光ウイルスセンサーの実現に向けた重要な進展である。全体としては、ほぼ予定通りの進捗と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
バイオセンシング・ファイバー光コムについては、機械共有型デュアルファイバー光コム構成を用いたアクティブ・ダミー温度補償法と、THzコムによるfrep信号の高次周波数逓倍手法を融合し、高感度性と温度ドリフト抑制効果の両立を目指す。これにより、バイオセンシング応用における実用性と信頼性の向上を図る。
マイクロ光コムについては、課題となっている長時間安定動作の確保に向けた改良を進める。具体的には、励起光と微小光共振器のカップリング安定性を高めるため、光ファイバーを微小共振器入射（出射）光導波路に光学接着剤で直接固定し、共振器特性の環境温度依存性に対応するため、サーミスターとペルチェ素子を用いた温度制御機構を導入する。これにより、ソリトンマイクロ光コムの安定発生と特性再現性の確保を図る。
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