高感度振動子によるバイオ・3次元ナノイメージング

使用高灵敏度振荡器进行生物/3D 纳米成像

基本信息

批准号：
16686007
负责人：
小野崇人
金额：
$ 18.05万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究ではナノ構造の加工技術とナノ構造における特異な力学現象を利用し、大気中、室温で動作する新しい磁気共鳴力顕微鏡を実現することを目標としている。さらに、この磁気共鳴型の顕微鏡に新しい動作原理を取り込み、微小な生物試料の3次元ナノイメージング機能を有する顕微鏡を開発する。この技術ができると、様々な応用が拓ける。例えば、細胞1個レベルで、薬剤がどのように輸送され、その薬剤が細胞内でどのように化学変化が起きるかなどを、細胞レベルの3次元イメージから追跡することができる。このような技術は、将来の医療と新薬開発に大きく貢献すると考える。また、科学計測のツールとしては、走査型プローブ顕微鏡に物質を同定する機能を付与することもできる。将来の原子核スピンを利用した量子コンピューターなど、単一の核スピンを利用するデバイスにも利用できる。磁気共鳴力センサへの応用圧電材料上に強磁性体を取り付け、あるいはパターニングし、核磁気共鳴あるいは電子スピン共鳴を検出する高感度のセンサを作製した。核磁気共鳴は、試料へ外部磁場を印加して、近傍においたコイルに高周波電流を流して振動磁場を加える。核磁気共鳴周波数は外部磁場と振動磁場の周波数の積で表される関数となる。つまり、振動磁場の周波数を一定にすると、試料上におけるある磁場強度の面だけが磁気共鳴を起こすことになる。外部磁場により、試料の核スピンが揃った状態から、核磁気共鳴により、スピンは横方向にコヒーレントに回転する状態に遷移する。通常のNMRでは、核磁気共鳴を検波用のコイルを用いて行うが、力として検出する点が大きな相違点である。核磁気共鳴により試料の磁化がわずかだけ変化するのを、前述した磁気共鳴センサで検出する。圧電ナノ振動子の先端に永久磁石をパターニングして試料に外部磁場を印加すると同時に、この磁石と試料間に働く磁気力の変化をナノ振動子の共振周波数の変化として検出する。磁気力は、磁場勾配と磁気モーメントの積になる。Si容量型のセンサを試作し、その基本的な動作と原理を確認した。

这项研究的目标是利用纳米结构加工技术和纳米结构中独特的力学现象来实现一种可以在室温下在大气中工作的新型磁共振力显微镜。此外，我们将在这款磁共振显微镜中融入新的操作原理，开发出具有针对微小生物样本的三维纳米成像功能的显微镜。一旦这项技术被开发出来，各种各样的应用将会开放。例如，在细胞水平上，可以使用细胞水平的 3D 图像来跟踪药物如何运输以及细胞内如何发生化学变化。我们相信这样的技术将为未来的医疗保健和新药开发做出巨大贡献。此外，作为科学测量的工具，扫描探针显微镜可以被赋予识别物质的能力。它还可以用于利用单核自旋的设备，例如利用核自旋的未来量子计算机。磁共振力传感器的应用我们通过将铁磁材料附着或图案化到压电材料上，制造了一种高灵敏度传感器，用于检测核磁共振或电子自旋共振。在核磁共振中，将外部磁场施加到样品上，并使高频电流通过附近的线圈以产生振荡磁场。核磁共振频率是由外部磁场和振荡磁场的频率的乘积表示的函数。换句话说，如果振荡磁场的频率保持恒定，则只有样品上具有一定磁场强度的表面才会引起磁共振。由于核磁共振，外部磁场导致样品的核自旋从它们对齐的状态转变为自旋在横向方向相干旋转的状态。在普通 NMR 中，核磁共振是使用检测线圈进行的，但主要区别在于它被检测为力。上述磁共振传感器检测由于核磁共振引起的样本磁化强度的微小变化。在压电纳米振荡器的尖端形成永磁体，向样品施加外部磁场，同时，作用于该磁体和样品之间的磁力的变化作为共振频率的变化被检测到的纳米振荡器。磁力是磁场梯度和磁矩的乘积。我们制作了硅电容传感器原型并确认了其基本操作和原理。