相界面を利用したナノ物質の光マニピュレーション法の確立

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02550
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 坪井 泰之 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (00283698)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 油水界面 / プラズモン / 光ピンセット / 蛍光顕微鏡 / ナノ粒子

研究実績の概要

（1）ブラックシリコン光ピンセットの開発に成功した。この特徴・性能は以下に集約される。
＜強い光捕捉力＞　メガワット/cm2近い強度の光照射でも、温度上昇は数K程度であり、熱の影響は無視できる。このため、プラズモン光ピンセットを凌駕する高い捕捉力を発揮できる。
＜ナノ粒子の大量捕捉と単一粒子捕捉＞ 微粒子の捕捉において、例えば一粒ごとの分光分析を行う場合は「単一ナノ粒子の捕捉」ができる光ピンセットが好ましく、微粒子をたくさん集めて分光シグナルの増大や結晶感度の化学プロセスを誘起したい場合は「大量の微粒子の捕集」ができる光ピンセットが好ましい。私たちはナノ構造を制御すれば、どちらにも対応できることを明らかにした。さらに、捕捉粒子を一次元または二次元的に配列できる。
（２）レーザーフリーなブラックチタン光ピンセットの開発に成功した。
一連の研究にヒントを得て、表面にナノ構造を付与したチタン結晶（ブラックチタン）に、水銀ランプから紫外線を照射すると、極めて弱い光でも、光捕捉を行えることを見出した。捕捉対象に、直径20 ～ 500 nm の蛍光染色ポリスチレン微粒子を用い、水銀ランプの紫外線（波長370 nm）アメタルに弱く集光した（I = 5 W/cm2）。比較のため、表面が平滑なシリコン結晶、ナノ構造シリコン結晶、平滑なレアメタル結晶を用いた捕捉も試みた。その結果、ナノ構造を付与したレアメタル結晶上でのみ、明確な微粒子の捕捉が確認された。光照射を中止すると、微粒子は速やかに開放された。すなわち、この現象は光で駆動する可逆現象である。このように、従来よりも百万分の一以下の弱い光強度で光捕捉に成功した。現在、その機構を解析しているが、これはレーザーを用いない光ピンセットの初めての例である。

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

まず、ブラックシリコン光ピンセットの開発は計画通り順調に進んでいる。その成果は以下の論文にて報告している。
"Optical Trapping of Polystyrene Nanoparticles on Black Silicon: Implications for Trapping and Studying Bacteria and Viruses"
Sawa Komoto, Tatsuya Nagai, Ryota Takao, Kenta Ushiro, Mitsuhiro Matsumoto, Tatsuya Shoji, Denver P. Linklater, Saulius Juodkazis, and Yasuyuki Tsuboi
ACS Applied Nano Materials 2020 3 (10), 9831-9841.
次に、ブラックチタン光ピンセットでは、予想をはるかに超える性能が得られた。すなわち、従来よりも遥かに弱い光強度、すなわちインコヒーレントな水銀ランプの光でナノ粒子を光捕捉できることに成功した。現在、論文を投稿中（in revision）である。このように、「インコヒーレント微弱光によるナノ粒子の光捕捉」に初めて成功した。

今後の研究の推進方策

（１）ブラックシリコン光ピンセットに関して：　高効率なナノ粒子の光捕捉に成功しているので、次のチャレンジは応用、それも「物質科学応用」を目指す。分子集合体の形成やタンパク質線維形成、蛍光カラーチューニングの予備実験を開始している。
（２）ブラックチタン光ピンセット：　この「インコヒーレント微弱光によるナノ粒子の光捕捉」がナノ粒子一般に適用できるか検証することが第一のタスクであると認識している。また、理論的な説明もクリアしたい。
（３）液/液界面光捕捉：　本年度は、油水界面光捕捉の研究も推進する。油水界面におけるナノ粒子の光捕捉の効率や特徴を明らかにし、化学反応応用への展開を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] Swinburne University of Technology(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: Swinburne University of Technology
• [雑誌論文] Formation of Single Double-Layered Coacervate of Poly(N,N-diethylacrylamide) in Water by a Laser Tweezer (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Mitsuhiro、Asoh Taka-Aki、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 37 ページ: 2874～2883
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c03009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laser-Induced Transfer of Noble Metal Nanodots with Femtosecond Laser-Interference Processing (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakata Yoshiki、Tsubakimoto Koji、Miyanaga Noriaki、Narazaki Aiko、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 11 ページ: 305～305
  • DOI: 10.3390/nano11020305
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermo-Plasmonic Trapping of Living Cyanobacteria on a Gold Nanopyramidal Dimer Array: Implications for Plasmonic Biochips (2020)
  • 著者名/発表者名: Naka Shota、Shoji Tatsuya、Fujii Sho、Ueno Kosei、Wakisaka Yumi、Murakoshi Kei、Mizoguchi Tadashi、Tamiaki Hitoshi、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 3 ページ: 10067～10072
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02071
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanostructure-assisted optical tweezers for microspectroscopic polymer analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: Polymer Journal 巻: 53 ページ: 271～281
  • DOI: 10.1038/s41428-020-00410-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical Trapping of Polystyrene Nanoparticles on Black Silicon: Implications for Trapping and Studying Bacteria and Viruses (2020)
  • 著者名/発表者名: Komoto Sawa、Nagai Tatsuya、Takao Ryota、Ushiro Kenta、Matsumoto Mitsuhiro、Shoji Tatsuya、Linklater Denver P.、Juodkazis Saulius、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 3 ページ: 9831～9841
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c01901
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Microanalysis of Single Poly(N-isopropylacrylamide) Droplet Produced by an Optical Tweezer in Water: Isotacticity Dependence of Growth and Chemical Structure of the Droplet (2020)
  • 著者名/発表者名: Ushiro Kenta、Shoji Tatsuya、Matsumoto Mitsuhiro、Asoh Taka-Aki、Horibe Hideo、Katsumoto Yukiteru、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 ページ: 8454～8463
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c06932
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanodot array deposition via single shot laser interference pattern using laser-induced forward transfer (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakata Yoshiki、Hayashi Eiki、Tsubakimoto Koji、Miyanaga Noriaki、Narazaki Aiko、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: International Journal of Extreme Manufacturing 巻: 2 ページ: 025101～025101
  • DOI: 10.1088/2631-7990/ab88bf
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrophoretic Adhesion of Conductive Hydrogels (2020)
  • 著者名/発表者名: Asoh Taka‐Aki、Nakamura Megumi、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki、Uyama Hiroshi
  • 雑誌名: Macromolecular Rapid Communications 巻: 41 ページ: 2000169～2000169
  • DOI: 10.1002/marc.202000169
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 半導体ナノ構造に基づく高性能光ピンセット ーレーザーナノプロセスに期待することー (2021)
  • 著者名/発表者名: 坪井 泰之
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会シンポジウム「レーザー誘起ナノ周期構造の本質と展望に迫る」
  • 招待講演
• [学会発表] レーザーピンセットを駆使する高分子水溶液の顕微分光分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坪井 泰之
  • 学会等名: 第25回高分子分析討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 半導体ナノ構造を利用したナノ物質の高効率光マニピュレーションと分光分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坪井 泰之
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Optical Trapping of Thermoresponsive Polymer using Nanostructured Silicon and Titan Substrates (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Nagai, Tatsuya Shoji, Yuriko Matsumura, Yasuyuki Tsuboi
  • 学会等名: 2020年web光化学討論会
• [学会発表] 光圧を用いた高分子集合体の形成：ナノ構造基板を用いた光ピンセット (2020)
  • 著者名/発表者名: 永井 達也, 東海林 竜也, Saulius Juodkazis, 坪井 泰之
  • 学会等名: 第9回 JACI/GSCシンポジウム
• [学会発表] 光捕捉された単一マイクロカプセルからの試薬放出挙動の顕微蛍光リアルタイム追跡 (2020)
  • 著者名/発表者名: 飯田 京子, 東海林 竜也, 坪井 泰之
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [学会発表] ナノ構造体を利用したリポソームの光捕捉挙動の顕微分光分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小島 千昌, 坪井 泰之, 東海林 竜也
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [学会発表] 光ピンセットを用いた油水界面での蛍光性ナノダイヤモンドの捕捉と分光観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 嶋田 梨良, 山西 大樹, 東海林 竜也, 坪井 泰之
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [学会発表] Siナノ構造を利用した蛍光標識直鎖高分子の光濃縮と分光分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高尾 亮太, 後 健太, 東海林 竜也, 坪井 泰之
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [学会発表] 共鳴光励起効果に基づく高分子ナノ粒子の選択的光マニピュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 橋本 早耶香, 東海林 竜也, 坪井 泰之
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [学会発表] 光ピンセットにより形成された温度応答性高分子液滴のラマン分光分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: Jie Lu, Mitsuhiro Matsumoto, Tatsuya Shoji, Yasuyuki Tsuboi
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [学会発表] 金/シリコンナノ構造光ピンセットを用いたゲル微粒子の光捕捉と分光分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 窪田 真帆, 飯田 京子, 橋本 早耶香, 東海林 竜也, 坪井 泰之
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [学会発表] プラズモン光ピンセットによる高分子ゲル微粒子のサイズ分離の試み (2020)
  • 著者名/発表者名: 和氣 小百合, 飯田 京子, 橋本 早耶香, 東海林 竜也, 坪井 泰之
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [備考] 大阪市立大学 理学部 化学科 先端分析化学研究室
  • URL: http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/chem/advanachem/index.html