2014 Fiscal Year Annual Research Report
毎秒１０００コマ撮影可能な化学イメージセンサの開発と反応ダイナミクス解析への応用
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24310098
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
吉信 達夫 東北大学, 大学院医工学研究科, 教授 (30243265)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 浩一郎 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70447142)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 化学センサ / 化学イメージ / 反応ダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、溶液・ゲル・細胞・生体組織などの試料をセンサ面上に載せるだけで、試料内のイオン分布を毎秒1000コマのスピードで動画撮影することが出来る、従来にはない新しいタイプの半導体化学／バイオセンサシステムの実現と、このセンサシステムによって得られる動画データを用いた、反応ダイナミクス解析の新しい手法の開発を目的としている。本年度は以下の結果を得た。
高速動作・高解像度実現のため、キャリア拡散を考慮したデバイスシミュレーションを行い、デバイス構造と光照射パターンの最適化を行った。センサ信号である交流光電流を励起するための変調光ビームの周囲に定常光をリング状に照射することにより、このリング領域における再結合を増加させてキャリアの拡散を低減することで空間分解能が向上することを実証した。
前年度までにFPGAを用いた並列処理によって、ほぼリアルタイムでの動画フレームの生成を実現していたが、本年度はこの処理をさらに改善し、また新たに16×16ピクセルの光源を製作した。高フレームレート測定については、前年度までに毎秒200コマの動画記録を実現していたが、本年度はハードウェア・ソフトウェアの改良により毎秒1000コマでの動画記録の準備が整った。
マイクロ流路と組み合わせた測定システムについても改良を行い、1μL以下の液滴の生成・輸送・混合・検出ができるようにした。さらに液滴を用いたバイオセンシングや、流路内の層流界面での拡散を利用した測定などの手法を開発した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
数値目標である毎秒1000コマの動画記録の準備が整い、その他、空間分解能・測定精度・マイクロ流路を利用した測定・バイオセンシングへの応用など、最終年度に化学イメージの動画記録を利用した解析について研究を行う準備が整った。
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| Strategy for Future Research Activity |
H26年度までの研究で、センサ面上のpH分布を毎秒200コマ以上のフレームレートで動画記録できるようになっており、また、毎秒1000コマで動画記録を行うためのハードウェア・ソフトウェアの準備が整った。H27年度は毎秒1000コマでの動画記録を実証し、その応用について検討する。また、振幅モードについてはリアルタイム表示機能が既に実現されている。これは、各フレームのデータ取得後約10μ秒で、FPGAを用いた並列処理によって必要な演算を行い、画像を生成する機能である。H27年度は、振幅モードよりも高精度の測定が期待できる位相モードにおいてもリアルタイム表示機能を実現する。
さらに、pH変化の高フレームレート測定の応用の具体例として、センサ面上に構築されたマイクロ流路内における化学反応等の測定を行う。混合やイオンの拡散、酵素反応について高フレームレートの測定を行う。また、反応ダイナミクス解析への応用として、本研究で開発された高フレームレートの化学イメージセンサを用いて、拡散定数や反応速度定数を求める手法を提案する。
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| Causes of Carryover |
本研究で使用する半導体センサ基板の購入を予定していたが、センサ基板については本年度は当初予定の半数を購入し、実験の結果をふまえて性能を向上できるようスペックに反映させ、残数を次年度に購入することとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
実験の結果をふまえて、より高い性能を実現するために必要な半導体センサ基板のスペックを決定して購入する。
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