ナノレーザによる極微光増強場の形成と高性能・高機能バイオセンシングシステムの開発

利用纳米激光形成超微光增强场并开发高性能高性能生物传感系统

基本信息

批准号：
12J04482
负责人：
北翔太
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至 2014-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

生化学分析において多用される質量分析装置の小型・低コスト化・高性能化は近年においても重要であり, それに関する研究分野の発展, アプローチの多様化は目覚ましい. 近年マイクロ・ナノ電気機械システムを応用した質量分析システムがCaltechグループにより提案・開発された. 同グループはNEMS共振器により数100分子量オーダの質量分解能をもつ単一分子センシングおよび質量分析を実証した. また別のグループによってカーボンナノチューブを中空加工した超小型振動子による分解能が1陽子質量相当のものが発表された. ただし分解能と歩留まりのバランスはまだ追究の余地があり, トップダウンで安定した性能の分析装置をニーズに合わせてCMOSプロセスをべ一スに作ることが産業化に発展するための要件であると考える. またMEMSにおいてはいずれも実験値で得られる分解能は理論予測されたものよりも1桁から2桁ほど悪く, 電気的なノイズがその要因であると考えられている.そこで本研究は, 光入力で遠隔的に駆動するNEMS共振器をフォトニックナノ構造ベースとした質量分析を実証することを目指す. 一般に機械振動モードが小さいほど分子が吸着したときの応答量, すなわち感度が増大する. したがって微小な機械振動モードをそれに近い分布をもつ光学モードが誘起する光機械結合効果によって選択的に励起することでMEMSよりも低ノイズな振動子を目指し, 「数10から数分子量オーダの質量分析装置」の実現が目標である. 現在それに適した構造を見出し, 製作と実験を進めている段階である.以上に加え, 他のグループと共同でフォトニック結晶のアプローチによるオンチップ屈折率ゼロ媒体の作製・実証も並行して手がけている. グラフェンで見られるバンドの縮退による現象のアナロジーを光子に対して適用することで, 特異な周波数の光の感じる屈折率を実部虚部ともにゼロにすることができる. こちらはもう実験結果もほぼ出揃い, 論文投稿間近である.

近年来，常用于生化分析的质谱仪的小型化、低成本和高性能变得越来越重要，相关研究领域的发展和方法的多样化也得到了显着的应用。由加州理工学院小组提出和开发，该小组使用 NEMS 谐振器演示了质量分辨率约为数百分子量的单分子传感和质谱。另一个小组已经推出了一种由空心碳纳米管制成的超紧凑谐振器，其分辨率相当于一个质子的质量。但是，分辨率和产率之间的平衡仍有探索的空间，并且很难使用它来实现稳定的性能。我们认为，基于CMOS工艺创建满足需求的分析器件是产业化的要求。而且，在MEMS中，从实验值获得的分辨率比理论上预测的要高1到2个数量级。更糟糕的是，因此，本研究旨在演示基于光子纳米结构的质谱分析，使用由光输入远程驱动的 NEMS 谐振器，振动模式越小，分子被吸附时的响应就越大。因此，通过分布接近微小机械振动模式的光模引起的光机耦合效应选择性地激发微小机械振动模式，MEMS旨在获得噪声更低的振动器。目标是实现“分子量在几十到几十量级的质谱仪”。目前，我们已经找到了合适的结构，正在进行制作和实验。除上述之外，我们正在合作与其他团队合作开发光子我们还致力于使用晶体方法制造和演示片上零折射率介质。通过将在石墨烯中观察到的能带简并现象应用于光子，可以使光在唯一频率下感知的折射率的实部和虚部都为零。实验结果已基本完成，论文即将提交。