Development of super-resolution three-dimensional non-fluorescent single particle tracking method for nanospaces utilizing light scattering

利用光散射的纳米空间超分辨率三维非荧光单粒子跟踪方法的发展

基本信息

批准号：
22H00194
负责人：
嘉副裕
金额：
$ 26.96万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H00194/
关键词：
ナノ流体工学超解像度計測ナノ流路粒子追跡法光散乱

项目摘要

100 nm空間の流体科学・工学の進展に伴い、表面支配の極小空間における溶質分子輸送現象を解明する超解像度計測法が重要となっている。しかし、従来の超解像度計測法の大多数は蛍光を用いるため、溶質分子に相当する数nmサイズの粒子には適用できない。本研究では、独自の技術と方法論に基づき光散乱を用いた新たな超解像度非蛍光1粒子追跡法の開発を目的とする。具体的には、研究項目A：計測システムの構築とナノ粒子像の検出、研究項目B：ナノ粒子像解析法の構築と超解像度分解能の検証、研究項目C：ナノ流路における非蛍光1粒子追跡の検証、研究項目D：ナノ流路における非蛍光1分子追跡への応用に取り組む。2022年度は、研究項目Aに取り組んだ。ナノ流路を流れるナノ粒子からの散乱光を周囲の反射光との干渉を利用して検出するために、連続光レーザと高速度カメラを用いた計測システムを構築した。周囲の反射光はバックグラウンドとして計測におけるS/B比の低下も招くことから、ナノ流路のガラス材質、流路加工の有無、ナノ流体デバイスの構造が干渉散乱光検出におけるバックグラウンドに及ぼす影響を評価した。その結果、デバイス構造に由来するバックグラウンドについては光学系を工夫すれば大幅に低減できること、ドライエッチングによる流路加工はバックグラウンドにほとんど影響しないことを見出した。また、バックグラウンドを低減するガラス材質として石英ガラスが最適であることも明らかにした。以上の検討にもとづき、ナノ流路を流れるポリスチレンナノ粒子から生じる干渉散乱光を検出することに成功した。この結果にもとづき、次年度はナノ流体デバイスの構造と計測システムの光学系を最適化し、ナノ流路を流れる10 nmサイズのナノ粒子から生じる干渉散乱光の検出の検証に取り組む。

随着100 nm空间流体科学与工程的进步，阐明极小表面主导空间中溶质分子输运现象的超分辨率测量方法变得非常重要。然而，大多数传统的超分辨率测量方法使用荧光，不能应用于与溶质分子相对应的几纳米尺寸的颗粒。本研究的目的是基于独特的技术和方法开发一种利用光散射的新型超分辨率非荧光单粒子跟踪方法。具体而言，研究项目A：纳米颗粒图像测量系统的构建及检测，研究项目B：纳米颗粒图像分析方法的构建及超分辨分辨率的验证，研究项目C：纳米通道中非荧光单颗粒的验证。跟踪，研究项目D：研究纳米通道中非荧光单分子跟踪的应用。 2022年，我们进行了研究项目A。我们使用连续光激光器和高速相机构建了一个测量系统，利用与周围反射光的干涉来检测流经纳米通道的纳米粒子的散射光。环境反射光作为背景，导致测量中的S/B比下降，因此纳米通道的玻璃材料、通道处理的有无以及纳米流体装置的结构对背景的影响评估了干涉散射光检测。结果，我们发现，通过设计光学系统可以显着降低源自器件结构的背景，并且通过干法蚀刻处理流路对背景几乎没有影响。研究还表明，石英玻璃是最适合降低背景的玻璃材料。基于上述研究，我们成功地检测到流经纳米通道的聚苯乙烯纳米粒子产生的干涉散射光。基于这些结果，明年我们将优化纳米流体装置的结构和测量系统的光学系统，并致力于验证对流经纳米通道的10纳米尺寸纳米粒子产生的干涉散射光的检测。