希土類添加ナノ蛍光体の電子線励起発光を利用した液中ナノバイオイメージング

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K16323
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 古川 太一 大阪大学, ナノサイエンスデザイン教育研究センター, 特任助教(常勤) (70749043)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: バイオイメージング / カソードルミネッセンス

研究実績の概要

本研究では、液中における複数蛋白種の局在を電子顕微鏡の空間分解能かつマルチカラーで可視化するカソードルミネッセンス(CL)ナノバイオイメージング法の確立を目的とする。この方法は、電子線を用いて蛍光体を励起し、その発光を分光してマッピングする。電子線は光に比べ、容易にナノスケールに収束可能なため、ナノスケールの空間分解能を達成することが可能である。また、電子線励起による発光は物質により異なるため、カラーイメージングを実現可能である。今年度は、上記目的を達成するために以下の研究を行った。
CLナノバイオイメージングのための高効率なCL検出システムを構築するために、CLの取得立体角を大きくした放物面ミラーの設計と作製を行った。CLの取得立体角を大きくするために、ミラーが試料の上下を覆うように設計を行った。放物面鏡で取得されたCLを効率よく検出器まで伝送するために、石英窓を通してCLを電子顕微鏡の外に取り出す設計にした。ダイクロイックミラーとバンドパスフィルターを用いて分光を行い、フォトンカウンティングタイプの光電子増倍管で光検出する方式を採用した。
生体試料を液中で観察するためのチャンバーの設計を検討した。2枚の窒化シリコン薄膜を重ね合わせることで、液中CL観察が可能であることを確認した。窒化シリコン薄膜の膜厚と電子線の加速電圧がCLイメージングの分解能に及ぼす影響をモンテカルロシミュレーションによって確認した。
均一沈殿法を用いて、最小30 nm程度の希土類添加ナノ蛍光体の作製法を確立した。また、その蛍光体からのCLを確認した。希土類元素の添加濃度を最適化することで、さらなる輝度向上の可能性がある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

高効率なカソードルミネッセンス(CL)検出システムのための放物面ミラーの設計と作製を完了し、蛍光体の開発に関しては、均一沈殿法を用いて最小30 nm程度の希土類添加ナノ蛍光体の作製法を確立したため。

今後の研究の推進方策

作製した放物面ミラーを用いて、希土類添加ナノ蛍光体のカソードルミネッセンス(CL)イメージングを行い、従来用いていたCLの取得立体角が小さいシステムとの比較を行う。また、希土類添加ナノ蛍光体を取り込ませた液中細胞のマルチカラーCLイメージングを行う(均一沈殿法で作製した粒径50 nm以下のY2O3:Eu, Y2O3:Tb, Y2O3:Tmを利用)。平行して、ナノ蛍光体への希土類添加濃度の最適化を行うことで、高輝度なナノ蛍光体を作製し、CL画像のS/N比改善と取得時間短縮を試みる。

研究成果

• [雑誌論文] Synthesis of Y2O3 nanophosphors by homogeneous precipitation method using excessive urea for cathodoluminescence and upconversion luminescence bioimaging (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fukushima, T. Furukawa, H. Niioka, M. Ichimiya, T. Sannomiya, J. Miyake, M. Ashida, T. Araki, and Mamoru Hashimoto
  • 雑誌名: Opt. Mater. Express 巻: 6 ページ: 831-843
  • DOI: 10.1364/OME.6.000831
  • 査読あり
• [学会発表] Multi-scaled bioimaging with near-infrared luminescence and cathodoluminescence (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fukushima, T. Furukawa, H. Nioka, M. Ichimiya, T. Sannomiya, M. Ashida, J. Miyake, T. Araki, and M. Hashimoto
  • 学会等名: 生体医用画像研究会第3回若手発表会
  • 発表場所: 大阪大学基礎工学部シグマホール (豊中市，大阪府)
  • 年月日: 2016-03-02 – 2016-03-02
• [学会発表] カソードルミネッセンス顕微鏡を用いた液中ナノバイオイメージング (2016)
  • 著者名/発表者名: 古川 太一，福島 昌一郎，新岡 宏彦，一宮 正義，芦田 昌明，三宅 淳，橋本 守
  • 学会等名: 日本機械学会 第28回バイオエンジニアリング講演会
  • 発表場所: 東京工業大学 (大岡山，東京)
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-10
• [学会発表] 希土類添加蛍光体の電子線励起発光を用いた液中生体ナノイメージング (2015)
  • 著者名/発表者名: 古川 太一，福島 昌一郎，新岡 宏彦，一宮 正義，芦田 昌明，三宅 淳，橋本 守
  • 学会等名: 医用分光学研究会
  • 発表場所: ホテルグランドヒル市ヶ谷 (市ヶ谷，東京)
  • 年月日: 2015-12-03 – 2015-12-04
• [学会発表] Rare-earth doped Y2O3 nano-phosphor probes for correlative cathodoluminescence and near-infrared optical bio-imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Niioka, S. Fukushima, T. Furukawa, M. Ichimiya, M. Ashida, J. Miyake, and M. Hashimoto
  • 学会等名: The 2nd East-Asia Microscopy Conference
  • 発表場所: The Himeji Chamber of Commerce and Industry (Himeji, Hyogo, JAPAN)
  • 年月日: 2015-11-24 – 2015-11-27
  • 国際学会
• [学会発表] Biological high-resolution imaging in wetcondition using cathodoluminescence microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Furukawa, S. Fukushima, H. Niioka, M. Ichimiya, J. Miyake, M. Ashida , T.Araki, M. Hashimoto
  • 学会等名: Optics & Photonics International Congress 2015
  • 発表場所: Pacifico-Yokohama (Yokohama, Kanagawa, JAPAN)
  • 年月日: 2015-04-21 – 2015-04-24
  • 国際学会