2014 Fiscal Year Annual Research Report
光熱変換効果によるナノ粒子リアルタイム３次元イメージング法の開発
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14J10764
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
長田 悠希 徳島大学, 大学院先端技術科学教育部, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 光熱変換効果 / フォトサーマルイメージング / 3次元イメージング / ナノ粒子 / 干渉計測 / 顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，光熱変換効果による局所的な温度変化および光波の干渉を利用することによって，光学顕微鏡下に干渉計を組み込んだ簡便かつ安価なシステムで単一ナノ粒子を光学的にイメージングすることを目的としている．さらに，本手法では，ナノ粒子に光熱変換効果を生じさせるための励起光に，レンズを用いてエネルギ密度の空間分布を持たせることで，横方向だけでなく深さ方向にも像のコントラストを生じさせ，ナノ粒子の３次元分布イメージングを可能にすることを目指す．
そこで，まずは保有している光熱変換イメージングシステムを高倍率化および高分解能化し，更に励起光強度を正弦波変調しロックイン検出を適用することで感度向上に取り組んだ．ここで，適切な励起光の変調周波数を決定するために伝熱解析を行った．その結果，変調周波数をMHzオーダに設定した励起光に対しても局所的な温度変化が十分に追随することを確認した．その上で，直径20nmの金ナノ粒子の位置を高感度にイメージングできることを確認できた．これらの結果をまとめ，2014年9月17日に鳥取県で開催された2014年度精密工学会秋季大会学術講演会で発表した．
次に，システムの3次元イメージングへの拡張を行った．ここではサンプル深さ方向に形成される励起エネルギ密度の分布を利用することで，深さ方向の空間分解能を持たせた．また，サンプルをピエゾステージにより深さ方向に走査することで，ナノ粒子の３次元イメージングが可能か，構築したイメージングシステムを用いて実証実験を行った．サンプルとしてPVA薄膜中に分散した直径20nmの金ナノ粒子を用いて３次元走査によるイメージングを行った結果，期待通り，深さ方向にも空間分解能を持つナノ粒子の光熱変換シグナル分布が得られた．これらの結果は，2015年3月17日に東京都で開催された2015年度精密工学会春季大会学術講演会にて発表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
一般的な光学顕微鏡では検出困難なサブ100nm粒子の位置検出を，光熱変換効果と干渉計を併用することで実現するシステムを構築している．本年度は，共焦点顕微鏡と変調励起光を用いることで，粒径20nmの金粒子を三次元的に位置検出することに成功している．また，伝熱解析も進めており，ここでは空間的な分解能を高めるための最適な変調条件の導出を行っている．その結果，20nmの金ナノ粒子の位置を三次元的に捉えることに成功した．また，干渉計と組み合わせたことにより高感度な測定ができることを明らかにした．これは，非常に低い励起光量での検出が可能であることを示しており，今後は生体細胞などへの応用が期待できる．以上の結果は，当初の申請書に記述した目標をより深めていることから期待以上の研究の進展があったと認められる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度は，前年度に得られたシミュレーション結果および実験結果をもとに，リアルタイムイメージングへの拡張を行う．まずは，高速かつ高精度な位相測定が可能なヘテロダイン干渉法の原理を提案手法に導入し，ナノ粒子の2次元分布をリアルタイムイメージングする．そのためには，干渉光の位相を周期的に変調させ，かつ干渉光強度の2次元分布を同期検出する必要がある．干渉光の位相変調には，一般的なプリズムを圧電素子などで振動させることで可能となる．また，同期検出は，外部トリガ入力に対応したCCDカメラを用いる予定である．ここで，ナノ粒子の検出には，高感度な検出器が必要であると考えられるが，受光素子をノイズの小さい冷却CCDとし，なおかつ階調を16bitとすれば十分に検出可能である．しかし，実際の検出実験の際には，空気的な揺らぎや実験環境の振動などの外乱によりS/N比が低下し，粒子像の検出が困難になるなど新たな問題が発生する可能性がある．そのため，最も外乱の影響を受けやすい干渉計部分をモジュール化することでロバスト性を向上させる．さらに，上記に加えて，前年度構築した走査光学系を併用することで，ナノ粒子の3次元リアルタイムイメージングを行う予定である．
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Research Products
(2 results)
