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2014 年度 実績報告書

投影型イメージング質量分析による迅速で高解像度な生体内分子イメージング

計画研究

研究領域3次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開
研究課題/領域番号 25109009
研究機関大阪大学

研究代表者

粟津 邦男  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30324817)

研究分担者 間 久直  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (70437375)
青木 順  大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (90452424)
研究期間 (年度) 2013-06-28 – 2018-03-31
キーワードイメージング質量分析 / 投影型 / silicon-on-insulator / 3次元半導体検出器 / 量子イメージング
研究実績の概要

本研究課題ではイメージング質量分析(imaging mass spectrometry; IMS)による迅速で高解像度な生体内分子イメージング装置の開発を行っている。過去の研究で通常の走査型IMSよりも短時間での測定が可能で高解像度な投影型IMS装置の開発を行い、世界最高の空間分解能1 μmを達成した。しかし、投影型IMSの実用化にはイオンの入射位置と到達時間の両者を同時かつ高頻度に測定可能なイオン検出器の開発が必要となるため、silicon-on-inslulator(SOI)半導体ピクセル検出器を用いた新規イオン検出器の開発を進めている。本研究課題で開発する生体内分子イメージング技術の実現により、バイオ・医療分野では病理研究や迅速な病理診断に加え、放射性物質の体内動態の測定などへの応用が、医薬品業界では新薬開発の高効率化が期待できる。工業分野でも新たなアプローチでの有機電子デバイス開発などが可能になると予想される。
投影型IMSに必要となるSOI半導体ピクセル検出器について、現時点での目標仕様は、時間分解能1 ns、時間測定のダイナミックレンジ14 bit、ピクセルサイズ40×40 μm2、ピクセル数512×512個、チップサイズ20×20 mm2である。平成26年度までにA01班、A02班の協力の下、検出器の詳細な仕様検討を行い、ピクセル数64×64個、チップサイズ6×6 mm2の試作チップ、そして同チップを動作させるための回路基板、およびプログラムを作製した。また、これらの評価に用いるためのIMS用レーザーイオン化イオン源、真空容器、およびイオン光学系用の高圧電源の設計・製作を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成26年度までにA01班、A02班の協力の下、検出器の詳細な仕様検討を行い、ピクセル数64×64個、チップサイズ6×6 mm2の試作チップ、そして同チップを動作させるための回路基板、およびプログラムを作製した。当初の計画ではSOI半導体ピクセル検出器の試作は各年度に1回のみ行う予定であったが、試作の機会を最大限に活かすため、年に2回の試作を行うこととした。これまでに製作が完了している試作チップは時間分解能1 nsを得るための回路(time memory cell)が組み込まれており、設計どおりに動作することが確認できていることから、目標としている時間分解能1 nsを実現できる見通しが得られた。IMS用レーザーイオン化イオン源、真空容器、およびイオン光学系用の高圧電源の設計・製作が完了しており、イメージング実験を行う準備が整っている。以上より、SOI半導体ピクセル検出器、およびIMS装置のどちらの開発も当初の計画以上に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

平成26年度までに製作した試作チップ、同チップを動作させるための回路基板およびプログラム、これらの評価に用いるためのIMS用レーザーイオン化イオン源、真空容器、および高圧電源を用いて試作チップの動作確認、および時間分解能等の評価を行う。評価実験の結果を基に改良を加えた次期試作チップの設計・製作を行い、SOI半導体ピクセル検出器の完成度を向上させる。平成27年度以降も年に2回の試作を予定している。
これまではイオン化にパルス繰り返し周波数が50 Hzのレーザーを用いていたが、測定のスループットを向上させるために繰り返し周波数1 kHz程度の高繰返しレーザーの導入を検討している。さらに、結像収差を抑制したイオン光学系による空間分解能の改善についてイオン軌道シミュレーションによる検討を行う。
IMSでは試料を厚さ数μm以下の切片にする必要があるため、マウスなどの動物や培養細胞などの生体から極薄試料切片を作製する方法について検討を行う。生体分子のような高分子のイオン化にはマトリックス支援レーザー脱離イオン化法(matrix-assisted laser desorption/ionization; MALDI)が一般的に用いられているが、MALDIではマトリックス(イオン化補助剤)の結晶が最低でも数μmになってしまうことが空間分解能を制限してしまう。このため、試料切片へのマトリックス塗布を自動で行う装置を開発することによりマトリックス結晶を小さく均一にする手法を検討することに加え、マトリックスの代わりに鉄や金を含むナノメートルサイズの微粒子を用いたイオン化法(nanoparticle-assisted laser desorption/ionization; nano-PALDI)の適用も検討する。

  • 研究成果

    (26件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち謝辞記載あり 2件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (18件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] 投影型イメージング質量分析装置の開発動向2015

    • 著者名/発表者名
      間久直, 粟津邦男
    • 雑誌名

      オプトニューズ

      巻: 10 ページ: 2-9

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 投影型イメージング質量分析計の空間分解能向上に向けたイオン軌道シミュレーション2015

    • 著者名/発表者名
      岡崎文音, 間久直, 粟津邦男
    • 雑誌名

      電気学会研究会資料 光・量子デバイス研究会

      巻: OQD-15-020~025 ページ: 11-15

  • [雑誌論文] Separation of isobaric compounds using a spiral orbit type time-of-flight mass spectrometer, MALDI-SpiralTOF2014

    • 著者名/発表者名
      Takaya Satoh, Ayumi Kubo, Hisanao Hazama, Kunio Awazu, and Michisato Toyoda
    • 雑誌名

      Mass Spectrometry

      巻: 3 ページ: S0027-1-5

    • DOI

      10.5702/massspectrometry.S0027

    • 査読あり
  • [雑誌論文] マトリックス支援レーザー脱離イオン化を用いた薬剤のイメージング質量分析に向けたゼオライトによるイオン化効率の向上2014

    • 著者名/発表者名
      間久直, 守口直輝, 藤野竜也, 粟津邦男
    • 雑誌名

      電気学会論文誌C

      巻: 134 ページ: 657-663

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.134.657

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of laser ionization techniques for evaluation of the effect of cancer drugs using imaging mass spectrometry2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kannen, Hisanao Hazama, Yasufumi Kaneda, Tatsuya Fujino, and Kunio Awazu
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 15 ページ: 11234-11244

    • DOI

      10.3390/ijms150711234

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 投影型イメージング質量分析用時間検知型半導体検出器の開発III2015

    • 著者名/発表者名
      藤田陽一, 池本由希子, 新井康夫, SOIPIXグループ, 本堂敏信, 河井洋輔, 松岡久典, 間久直, 青木順, 豊田岐聡, 粟津邦男
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学早稲田キャンパス(東京都新宿区)
    • 年月日
      2015-03-23 – 2015-03-23
  • [学会発表] 投影型イメージング質量分析計の空間分解能向上に向けたイオン軌道シミュレーション2015

    • 著者名/発表者名
      岡崎文音, 間久直, 粟津邦男
    • 学会等名
      電気学会 光・量子デバイス研究会
    • 発表場所
      東北大学東京分室(東京都千代田区)
    • 年月日
      2015-03-02 – 2015-03-02
  • [学会発表] 投影型イメージング質量分析に向けた新しいマトリックス塗布法の検討2014

    • 著者名/発表者名
      守口直輝, 間久直, 藤野竜也, 粟津邦男
    • 学会等名
      第2回レーザーイオン化研究会
    • 発表場所
      首都大学東京 南大沢キャンパス(東京都八王子市)
    • 年月日
      2014-11-29 – 2014-11-29
  • [学会発表] 抗がん剤耐性がん細胞における薬剤分布の評価に向けた投影型イメージング質量分析手法の開発2014

    • 著者名/発表者名
      閑念弘樹, 間久直, 金田安史, 藤野竜也, 粟津邦男
    • 学会等名
      第2回レーザーイオン化研究会
    • 発表場所
      首都大学東京 南大沢キャンパス(東京都八王子市)
    • 年月日
      2014-11-29 – 2014-11-29
  • [学会発表] 投影型イメージング質量分析計における静電レンズの改良に向けたイオン軌道のシミュレーション2014

    • 著者名/発表者名
      岡崎文音, 間久直, 粟津邦男
    • 学会等名
      第2回レーザーイオン化研究会
    • 発表場所
      首都大学東京 南大沢キャンパス(東京都八王子市)
    • 年月日
      2014-11-29 – 2014-11-29
  • [学会発表] 質量分析を用いた高解像度分子イメージングに向けた半導体検出器の開発2014

    • 著者名/発表者名
      間久直, 河井洋輔, 松岡久典, 青木順, 本堂敏信, 豊田岐聡, 藤田陽一, 新井康夫, 粟津邦男
    • 学会等名
      新学術領域研究「3次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開」第3回研究会
    • 発表場所
      金沢工業大学(石川県野々市市)
    • 年月日
      2014-11-26 – 2014-11-26
  • [学会発表] Development of a time and position detectable detector for a stigmatic imaging mass spectrometer2014

    • 著者名/発表者名
      Yowichi Fujita, Yukiko Ikemoto, Yasuo Arai, Yosuke Kawai, Hisanori Matsuoka, Hisanao Hazama, Jun Aoki, Michisato Toyoda, and Kunio Awazu
    • 学会等名
      IEEE Nuclear Science Symposium
    • 発表場所
      Washington State Convention Center (Seattle, WA, USA)
    • 年月日
      2014-11-08 – 2014-11-15
  • [学会発表] 投影型イメージング質量分析用時間検知型半導体検出器の開発II2014

    • 著者名/発表者名
      藤田陽一, 池本由希子, 新井康夫, SOIPIXグループ, 河井洋輔, 松岡久典, 間久直, 青木順, 豊田岐聡, 粟津邦男
    • 学会等名
      日本物理学会2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学春日井キャンパス(愛知県春日井市)
    • 年月日
      2014-09-08 – 2014-09-08
  • [学会発表] 投影型イメージング質量分析用半導体検出器におけるイオン信号検出の性能評価2014

    • 著者名/発表者名
      河井洋輔, 松岡久典, 間久直, 青木順, 豊田岐聡, 藤田陽一, 池本由希子, 新井康夫, 粟津邦男
    • 学会等名
      日本物理学会2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学春日井キャンパス(愛知県春日井市)
    • 年月日
      2014-09-08 – 2014-09-08
  • [学会発表] Imaging mass spectrometry using ultra-high resolution matrix-assisted time-of-flight mass spectrometer, SpiralTOF2014

    • 著者名/発表者名
      Takaya Satoh, Ayumi Kubo, Naoki Moriguchi, Hisanao Hazama, Kunio Awazu, and Michisato Toyoda
    • 学会等名
      18th International Microscopy Congress
    • 発表場所
      Prague Congress Centre (Prague, Czech Republic)
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-12
  • [学会発表] Cellular scale imaging of cancer drugs using a stigmatic MALDI imaging mass spectrometer2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kannen, Hisanao Hazama, Jun Aoki, Michisato Toyoda, Tatsuya Fujino, Yasufumi Kaneda, and Kunio Awazu
    • 学会等名
      20th International Mass Spectrometry Conference
    • 発表場所
      Centre International de Conferences Geneve (Geneva, Switzerland)
    • 年月日
      2014-08-28 – 2014-08-28
  • [学会発表] Development of a time and position sensitive ion detector for a stigmatic imaging mass spectrometer2014

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Kawai, Hisanori Matsuoka, Hisanao Hazama, Jun Aoki, Michisato Toyoda, Yowichi Fujita, Yukiko Ikemoto, Yasuo Arai, and Kunio Awazu
    • 学会等名
      20th International Mass Spectrometry Conference
    • 発表場所
      Centre International de Conferences Geneve (Geneva, Switzerland)
    • 年月日
      2014-08-26 – 2014-08-26
  • [学会発表] Development of new stigmatic imaging mass spectrometer and its application for surface analysis of high functional organic materials2014

    • 著者名/発表者名
      Jun Aoki, Hisanao Hazama, Kunio Awazu, and Michisato Toyoda
    • 学会等名
      20th International Mass Spectrometry Conference
    • 発表場所
      Centre International de Conferences Geneve (Geneva, Switzerland)
    • 年月日
      2014-08-25 – 2014-08-25
  • [学会発表] Development of new stigmatic imaging mass spectrometer and its application to surface analysis of high functional organic materials2014

    • 著者名/発表者名
      Jun Aoki, Hisanao Hazama, Kunio Awazu, and Michisato Toyoda
    • 学会等名
      62nd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
    • 発表場所
      Baltimore Convention Center (Baltimore, MD, USA)
    • 年月日
      2014-06-19 – 2014-06-19
  • [学会発表] 投影型イメージング質量分析用時間検知型半導体検出器の開発2014

    • 著者名/発表者名
      河井洋輔, 松岡久典, 間久直, 青木順, 豊田岐聡, 藤田陽一, 池本由希子, 新井康夫, 粟津邦男
    • 学会等名
      第62回質量分析総合討論会
    • 発表場所
      ホテル阪急エキスポパーク(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2014-05-15 – 2014-05-15
  • [学会発表] 皮膚組織内の薬剤分析に向けたレーザーイオン化イメージング質量分析手法の開発2014

    • 著者名/発表者名
      井本英志, 間久直, 廣部祥子, 岡田直貴, 中川晋作, 粟津邦男
    • 学会等名
      第62回質量分析総合討論会
    • 発表場所
      ホテル阪急エキスポパーク(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2014-05-15 – 2014-05-15
  • [学会発表] イメージング質量分析によるがん治療用薬剤の動態解析に向けたレーザーイオン化手法の開発2014

    • 著者名/発表者名
      閑念弘樹, 間久直, 金田安史, 藤野竜也, 粟津邦男
    • 学会等名
      第62回質量分析総合討論会
    • 発表場所
      ホテル阪急エキスポパーク(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2014-05-15 – 2014-05-15
  • [学会発表] 投影型イメージング質量分析による迅速で高解像度な生体内分子イメージング2014

    • 著者名/発表者名
      間久直, 河井洋輔, 松岡久典, 青木順, 豊田岐聡, 藤田陽一, 新井康夫, 粟津邦男
    • 学会等名
      新学術領域研究「3次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開」第2回研究会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2014-05-09 – 2014-05-09
  • [備考] 大阪大学 大学院工学研究科 粟津研究室ホームページ

    • URL

      http://www.see.eng.osaka-u.ac.jp/seemb/seemb/

  • [備考] 大阪大学 大学院理学研究科 質量分析グループホームページ

    • URL

      http://133.1.150.71/index.html

  • [備考] 新学術領域研究「3次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開」ホームページ

    • URL

      http://soipix.jp/

URL: 

公開日: 2016-06-01  

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