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2016 年度 実施状況報告書

共振型光音響センサ

研究課題

研究課題/領域番号 16K14189
研究機関東北大学

研究代表者

小野 崇人  東北大学, 工学研究科, 教授 (90282095)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワード光音響 / 振動子 / 生体物質
研究実績の概要

肥満者の増加に伴う糖尿病患者の増加は、世界的に医療費の増大を招き、大きな問題となっており、予防という観点からもその簡易測定は極めて大きな需要がある。血液採取によらない糖尿病の非侵襲計測は、超音波、電気(インピーダンス)、光吸収などを利用した多くの研究がなされているにも関わらず、現在に至るまで、決定的な技術が実現していない極めて挑戦的な課題である。
これに対して、光音響検出を利用したグルコース検出手法が知られている。本研究では、高感度な光音響センサを開発し、半導体LDでも光音響信号が計測できるようにすることで、家庭でも使える小型の生体物質検出システムを開発する。特にターゲットをグルコースとして、実証試験を行う。高感度検出のために、機械共振と音響共振の両方のセンサを開発し、システムの最適を図る。
シリコンからなる片持ち梁型のセンサとドーナッツ型で共振モードをもつ圧電体からなるセンサの2種を試作評価した。2つのレーザーダイオードのレーザー光を利用し、その光音響の信号比から体内物質を検出するシステムのプロトタイプを試作した。センサは、検出対象と接するガラスに固定した。検出対象物にパルスレーザーを照射した際に発生する光音響波は、ガラスを通してセンサに伝達されるシステム構成とした。人の指や天然ゴム、PDMSなど各種材料で光音響信号が得られ、物資によりその信号強度が異なることを確認した。開発システムの動作確認のため、グルコースを混ぜたシリコーンゴムなどの試験片で検証実験を行い、グルコースの濃度に依存して光音響信号が増加するのを確認した。

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

肥満者の増加に伴う糖尿病患者の増加は、世界的に医療費の増大を招き、大きな問題となっており、予防という観点からもその簡易測定は極めて大きな需要がある。血液採取によらない糖尿病の非侵襲計測は、超音波、電気(インピーダンス)、光吸収などを利用した多くの研究がなされているにも関わらず、現在に至るまで、決定的な技術が実現していない極めて挑戦的な課題である。
これに対して、光音響検出を利用したグルコース検出手法が知られている。本研究では、高感度な光音響センサを開発し、半導体LDでも光音響信号が計測できるようにすることで、家庭でも使える小型のグルコース検出システムを実証する。高感度検出のために、センサにおいて機械共振と音響共振の両方を使うことを特徴としている。
シリコンからなる片持ち梁型のセンサとドーナッツ型で共振モードをもつ圧電体からなるセンサの2種を試作評価した。2つのレーザーダイオードのレーザー光を利用し、その信号比から体内物質を検出するシステムのプロトタイプを試作した。グルコースを混ぜたシリコーンゴムなどの試験片で検証実験を行い、グルコースの濃度に依存して光音響信号が増加するのを確認した。

今後の研究の推進方策

前年度に開発したセンサについて、その評価結果を基にセンサの最適化設計を進める。
また、前年度の結果から計測おける問題点を明らかにして、個々の要素を再設計、再試作し、最終的なプロトタイプを試作する。初期試験では、人間の指に模したファントムとしてグルコースを溶かした寒天を用いて試作する。更に、動物の皮膚などを用いた検証実験を進める。
人の血液を採取して計測した測定値と比較し、信頼性、再現性、分解能など総合的な特性を評価する。光音響により伝播する音波は、雰囲気の圧力や温度に依存することが考えられることから、信号強度の圧力・温度依存性などの評価も必要になる。また、レーザー光の散乱は皮膚表面の性状に影響されることから、信号の表面性状依存性も重要な検査項目となる。

次年度使用額が生じた理由

2-3月に利用する機械等の利用料の請求が次年度になるため、繰り越した。

次年度使用額の使用計画

繰り越し分は、前年度の施設等の利用料として利用する。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 謝辞記載あり 5件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 6件)

  • [雑誌論文] Design and fabrication of a large area freestanding compressive stress SiO2 optical window2016

    • 著者名/発表者名
      Nquyen Van Toan, suguru Sangu and Takahito Ono
    • 雑誌名

      Journal of Micromechanics and Microengineering

      巻: 26 ページ: 075016

    • DOI

      10.1088/0960-1317/26/7/075016

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Single and mechanically coupled capacitive silicon nanomechanical resonators2016

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Van Toan, Tsuyoshi Shimazaki, and Takahito Ono
    • 雑誌名

      Micro & Nano Letters

      巻: 11 ページ: 591-594

    • DOI

      10.1049/mnl.2016.0265

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Fabrication of high aspect ratio SiO2 and Tempax glass pillar structures and its application for optical modulator device2016

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Van Toan, Suguru Sangu, and Takahito Ono
    • 雑誌名

      Journal of Microelectromechanical Systems

      巻: 25 ページ: 668-674

    • DOI

      10.1109/JMEMS.2016.2581184

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Parametrically Actuated Resonant Micromirror Using Stiffness Tunable Torsional Springs2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawai, J.H. Kim, N. Inomata, and T. Ono
    • 雑誌名

      Sensors and Materialsv

      巻: 28 ページ: 131-139

    • DOI

      10.18494/SAM.2016.1163

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High Aspect Ratio Silicon Structures Produced via Metal Assisted Chemical Etching and Assembly Technology for Cantilever Fabrication2016

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Van Toan, Masaya Toda, and Takahito Ono
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Nanotechnology

      巻: 99 ページ: 1-1

    • DOI

      10.1109/TNANO.2016.2645781

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Fabrication of high aspect aluminum doped zinc oxide nanomechanical structures by deep RIE and ALD2017

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Van Toan, and Takahito Ono
    • 学会等名
      The 30th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems
    • 発表場所
      Las Vegas, USA
    • 年月日
      2017-01-22 – 2017-01-26
    • 国際学会
  • [学会発表] Resonant acoustic microsensor for photoacoustic detection2016

    • 著者名/発表者名
      Imran Latif. Zhonglie An, and Takahito Ono
    • 学会等名
      The 16th International Conference on Nanotechnology
    • 発表場所
      Sendai International Center, Sendai, Japan
    • 年月日
      2016-08-22 – 2016-08-26
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication and evaluation of CVD diamond resonators2016

    • 著者名/発表者名
      Yuya Mochimaru, Masaya Toda and Takahito Ono
    • 学会等名
      The 16th International Conference on Nanotechnology
    • 発表場所
      Sendai International Center, Sendai, Japan
    • 年月日
      2016-08-22 – 2016-08-26
    • 国際学会
  • [学会発表] High aspect silicon structures using metal assisted chemical etching2016

    • 著者名/発表者名
      N.V. Toan, M. Toda, and T. Ono
    • 学会等名
      The 16th International Conference on Nanotechnology
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 年月日
      2016-08-22 – 2016-08-25
    • 国際学会
  • [学会発表] Grass reflow process and its applications2016

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Van Toan, Suguru Sangu, and Takahito Ono
    • 学会等名
      Proceeding of the 11th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and. Molecular Systems
    • 発表場所
      Taikanso, Matsushima, Miyagi
    • 年月日
      2016-04-17 – 2016-04-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechannically coupled capacitive silicon nanomechanical resonators2016

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Shimazaki, Nguyen Van Toan, and Takahito Ono
    • 学会等名
      The 11th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and. Molecular Systems
    • 発表場所
      Taikanso, Matsushima, Miyagi
    • 年月日
      2016-04-17 – 2016-04-20
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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