3次元フォースマップ法による生体分子表面の水和構造・電荷分布の可視化と相関の解明

• 研究課題/領域番号: 25286057
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 小林 圭 京都大学, 白眉センター, 特定准教授 (40335211)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円); 2015年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2014年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2013年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)
• キーワード: 走査プローブ顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / FM-AFM / フォースマッピング / 固液界面

研究成果の概要

液中動作周波数検出型AFM（FM-AFM）により試料表面上での各点で周波数シフトカーブを取得することで固液界面空間における相互作用力分布を可視する2次元・3次元フォースマップ法を用い、生体試料表面における電荷密度と水和構造を評価する手法を開発した。50 mM塩化ニッケル水溶液中において、マイカ基板上のプラスミドDNA上で3次元周波数シフトマップを取得し、水和構造に起因する複雑なコントラストパターンの観察に成功した。また、塩化カリウム水溶液中においてポリリジン膜でコートされたマイカ基板上のラムダDNA上で3次元周波数シフトマップを取得し、周波数シフトカーブの解析によりDNAの電荷密度を算出した。

研究成果

• [国際共同研究] Aalto University(Finland)
• [雑誌論文] Visualization of trapped charges being ejected from organic thin-film transistor channels by Kelvin-probe force microscopy during gate voltage sweeps (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamagishi, K. Kobayashi, K. Noda, H. Yamada
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 108 号: 9 ページ: 093302-093302
  • DOI: 10.1063/1.4943140
  • NAID: 120005844268
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular-scale quantitative charge density measurement of biological molecule by frequency modulation atomic force microscopy in aqueous solutions (2015)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Umeda, Kei Kobayashi, Noriaki Oyabu, Kazumi Matsushige, and Hirofumi Yamada
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 26 号: 28 ページ: 285103-285103
  • DOI: 10.1088/0957-4484/26/28/285103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Potential Measurement of Fullerene Derivative/Copper Phthalocyanine on Indium Tin Oxide Electrode by Kelvin Probe Force Microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Satoh, M. Yamaki, K. Noda, S. Katori, K. Kobayashi, K. Matsushige, H. Yamada
  • 雑誌名: pn. J. Appl. Phys. 巻: 54 号: 8S1 ページ: 08KF06-08KF06
  • DOI: 10.7567/jjap.54.08kf06
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Local impedance measurement of an electrode/single-pentacene-grain interface by frequency-modulation scanning impedance microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kimura, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 118 号: 5 ページ: 055501-055501
  • DOI: 10.1063/1.4927921
  • NAID: 120005844267
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Atom-Resolved Analysis of an Ionic KBr(001) Crystal Surface Covered with a Thin Water Layer by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Arai, M.i Koshioka, K. Abe, M. Tomitori , R. Kokawa, M. Ohta, H. Yamada, K. Kobayashi, and N. Oyabu
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 31 号: 13 ページ: 3876-3883
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b00087
  • 査読あり
• [雑誌論文] Practical aspects of Kelvin-probe force microscopy at solid/liquid interfaces in various liquid media (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Umeda, K. Kobayashi, N. Oyabu, Y. Hirata, K. Matsushige, and H. Yamada
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 116 号: 13 ページ: 134307-134307
  • DOI: 10.1063/1.4896881
  • NAID: 120005496652
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Accurate formula for dissipative interaction in frequency modulation atomic force microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, K. Kobayashi, A. Labuda, K. Matsushige and H. Yamada
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 105 号: 23 ページ: 233105-233105
  • DOI: 10.1063/1.4903484
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Direct Observation of the Influence of Additives on Calcite Hydration by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Araki, K. Tsukamoto, R. Takagi, T. Miyashita, N. Oyabu, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 雑誌名: Crystal growth & design 巻: 14 号: 12 ページ: 6254-6260
  • DOI: 10.1021/cg500891j
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photothermal excitation setup for a modified commercial atomic force microscope (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Adam, S. Rode, M. Schreiber, K. Kobayashi, H. Yamada, and A. Kuehnle
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 85 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.4864084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular-scale investigations of structures and surface charge distribution of surfactant aggregates by three-dimensional force mapping (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, K. Kobayashi, N. Oyabu, K. Matsushige, and H. Yamada
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 140 号: 5 ページ: 54704-54704
  • DOI: 10.1063/1.4863346
  • 査読あり
• [雑誌論文] Immunoactive two-dimensional self-assembly of monoclonal antibodies in aqueous solution revealed by atomic force microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Ido, H. Kimiya, K. Kobayashi, H. Kominami, K. Matsushige and H. Yamada
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 13 号: 3 ページ: 264-270
  • DOI: 10.1038/nmat3847
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge compensation by long-period reconstruction in strongly polar lithium niobate surfaces (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Sanna, S. Rode, R. Hoelscher, S. Klassen, C. Marutschke, K. Kobayashi, H. Yamada, W. G. Schmidt, and A. Kuehnle
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.115422
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualization of hydration layers on muscovite mica in aqueous solution by frequency-modulation atomic force microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi, N. Oyabu, K. Kimura, S. Ido, K. Suzuki, T. Imai, K. Tagami, M. Tsukada, and H. Yamada
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 138 号: 18 ページ: 184704-184704
  • DOI: 10.1063/1.4803742
  • NAID: 120005439693
  • 査読あり
• [学会発表] Molecular-scale analysis of hydration structures on heterogeneous surfaces by three-dimensional force mapping (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Umeda, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: 18th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM 2015)
  • 発表場所: Cassis, France
  • 年月日: 2015-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular-scale visualization of different DNA conformations by using FM-AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kominami, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: 18th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM 2015)
  • 発表場所: Cassis, France
  • 年月日: 2015-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] Visualization of biomolecules-solution interfaces by frequency modulation AFM and 3D force mapping (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kominami, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: 17th International Scanning Probe Microscopy Conference (ISPM 2015)
  • 発表場所: Rio de Janeiro, Brazil
  • 年月日: 2015-06-21
  • 国際学会
• [学会発表] Relationship between surface structures/charges and local hydration structures studied by 3D-liquid-FM-AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Umeda, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: 17th International Scanning Probe Microscopy Conference (ISPM 2015)
  • 発表場所: Rio de Janeiro, Brazil
  • 年月日: 2015-06-21
  • 国際学会
• [学会発表] マイカ基板上に形成されるStreptavidin 2次元結晶の液中FM-AFM高分解能構造観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 崔 子鵬, 宮本 眞之, 木南 裕陽, 小林 圭, 平田 芳樹, 山田 啓文
  • 学会等名: 第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 東海大学, 神奈川
  • 年月日: 2015-03-14
• [学会発表] FM-AFMによる界面活性剤分子集合体構造の形成過程評価 (3) (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 一博, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 東海大学, 神奈川
  • 年月日: 2015-03-14
• [学会発表] 液中動作FM-AFMを用いたイオン液体の局所溶媒和構造と表面構造/電荷との相関に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 梅田 健一, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 東海大学, 神奈川
  • 年月日: 2015-03-14
• [学会発表] 液中FM-AFMによる免疫グロブリンM（IgM）の抗原結合評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 黄 雲飛, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 東海大学, 神奈川
  • 年月日: 2015-03-13
• [学会発表] 液中FM-AFMによる左巻きDNAの高分解能観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 東海大学, 神奈川
  • 年月日: 2015-03-11
• [学会発表] FM-AFMによるStreptavidin 2次元結晶の液中高分解能観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 宮本 眞之, 木南 裕陽, 崔 子鵬, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 東海大学, 神奈川
  • 年月日: 2015-03-11
• [学会発表] Molecular-scale visualization of DNA strands with non-B DNA conformations using FM-AFM in liquids (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kominami, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: 22nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM22)
  • 発表場所: Atagawa, Japan
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-13
• [学会発表] Relationship between surface structures/charges and local hydration structures studied by FM-AFM in liquids (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Umeda, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Surface Science (ISSS-7)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 2014-11-03 – 2014-11-07
• [学会発表] Molecular-scale Visualization of Self-Assembled Structures of Biomolecules Using FM-AFM in Liquids (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kominami, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Surface Science (ISSS-7)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 2014-11-03 – 2014-11-07
• [学会発表] High-resolution Imaging of IgM Antibody Molecules by FM-AFM in Aqueous Solutions (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Huang, H. Kominami, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Surface Science (ISSS-7)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 2014-11-03 – 2014-11-07
• [学会発表] 液中動作FM-AFMによる真核生物DNA複製の初期過程イメージング (2014)
  • 著者名/発表者名: 木南 裕陽, 日詰 光治, 荒木 弘之, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第75回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 北海道大学, 札幌
  • 年月日: 2014-09-20
• [学会発表] 液中動作FM-AFMによるIgG抗体分子6量体形成の抗体種依存性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 木南 裕陽, 井戸 慎一郎, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第75回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 北海道大学, 札幌
  • 年月日: 2014-09-19
• [学会発表] 液中FM-AFMによる免疫グロブリンM(IgM)構造評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 黄 雲飛, 木南 裕陽, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第75回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 北海道大学, 札幌
  • 年月日: 2014-09-19
• [学会発表] Avidin-biotin相互作用のFM-AFMフォースマップ評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 李 文尭, 鈴木 一博, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第75回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 北海道大学, 札幌
  • 年月日: 2014-09-19
• [学会発表] 液中動作FM-AFMを用いた局所水和構造と表面構造/電荷の相関に関する研究(2) (2014)
  • 著者名/発表者名: 梅田 健一, 小林 圭, 山田 啓文
  • 学会等名: 第75回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 北海道大学, 札幌
  • 年月日: 2014-09-19
• [学会発表] バイオセンシングに向けた機能性タンパク質のFM-AFM構造観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 崔 子鵬, 木南 裕陽, 小林 圭, 平田 芳樹, 山田 啓文
  • 学会等名: 第75回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 北海道大学, 札幌
  • 年月日: 2014-09-18
• [学会発表] Relationship between local hydration structures and surface structures/charges studied by liquid-FM-AFM (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Umeda, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: The 17th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [学会発表] Molecular-scale Investigation of Antigen Binding to IgG Antibody Self-Assembly Using Frequency-Modulation AFM in Liquids (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kominami, S. Ido, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: International Conference on Nanoscience and Technology
  • 発表場所: Colorado, USA
  • 年月日: 2014-07-20 – 2014-07-25
• [学会発表] Exploring Solid-Liquid Interfaces by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi and H. Yamada
  • 学会等名: Atomic structure of nanosystems from first-principles simulations and microscopy experiments, Physics Boat Workshops
  • 発表場所: Helsinki, Finland - Stockholm, Sweden
  • 年月日: 2014-06-03 – 2014-06-05
  • 招待講演
• [学会発表] Exploring the SolidLiquid Interfaces by TwoDimensional and ThreeDimensional Force Mapping Techniques with Frequency Modulation Atomic Force Microscopy
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi and H. Yamada
  • 学会等名: 2013 MRS Fall Meeting and Exhibit (Symposium LL)
  • 発表場所: Boston, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Visualization of hydration structures at the interface between alkali halide crystal surface and aqueous solution
  • 著者名/発表者名: F. Ito, K. Suzuki, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: 19th International Vacuum Congress (IVC-19) and International Conference on Nanoscience and Technology
  • 発表場所: Paris, France
• [学会発表] Immunoactivity of IgG Antibody Assembly Investigated by FM-AFM
  • 著者名/発表者名: H. Kominami, S. Ido, H. Kimiya, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: 12th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures in conjunction with 21st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: つくば国際会議場
• [学会発表] Surface Potential Mapping of Fullerene Ultrathin Films by FM-KFM
  • 著者名/発表者名: A. Noda, K. Kobayashi, and H. Yamada
  • 学会等名: 12th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures in conjunction with 21st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: つくば国際会議場
• [学会発表] 液中動作FM-AFMによるIgG抗体分子への抗原吸着評価
  • 著者名/発表者名: 木南裕陽, 井戸慎一郎, 木宮宏和, 小林圭, 山田啓文
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス
• [学会発表] FM-AFMの減衰係数導出法
  • 著者名/発表者名: 鈴木一博, 小林圭, 山田啓文
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス
• [学会発表] 液中動作FM-AFMを用いた局所水和構造と表面構造/電荷の相関に関する研究
  • 著者名/発表者名: 梅田健一, 小林圭, 山田啓文
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス
• [学会発表] Molecular-scale fluctuation of surfactant micelle structures on graphite
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, K. Kobayashi, N. Oyabu, K. Matsushige, and H. Yamada
  • 学会等名: 16th International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy (NC-AFM 2013)
  • 発表場所: University of Maryland, USA
• [学会発表] Monotonic Damping in Nanoscopic Hydration Experiments Measured by Photothermal AFM
  • 著者名/発表者名: A. Labuda, K. Kobayashi, K. Suzuki, H. Yamada, P. Gruetter, M. Lysy, D. Bocek, D.A. Walters, R. Proksch, and J.P. Cleveland
  • 学会等名: 16th International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy (NC-AFM 2013)
  • 発表場所: University of Maryland, USA
• [図書] Atomic Force Microscopy in Nanobiology (2014)
  • 著者名/発表者名: High-Resolution Imaging of Biological Molecules by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy
  • 総ページ数: 16
  • 出版者: Pan Stanford Publishing