グースヘンシェンシフトの近接場検出による高感度単一分子計測手法の開発

开发利用古申申位移近场检测的高灵敏度单分子测量方法

基本信息

批准号：
22K18958
负责人：
早澤紀彦
金额：
$ 3.91万
依托单位：
Institute of Physical and Chemical Research
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

従来のセンサー感度は「ナノモル」や「ピコモル」等のモル濃度で議論されることが多い。ナノ・ピコ表記は高感度を示すよう聞こえるが、分子数で表記すると、10^11~10^14個という途方もない数であり、濃度表記が採用されているといえる。つまり分子数で議論するようなセンシングは不可能であるとも言える。本課題では、新規分析手法である角度グースヘンシェンシフト (Angular Goos-Hanchen Shift: A-GHS）に基づく屈折率センサーにおいて、近接場検出を世界で初めて融合させ、モル濃度で表現されていた感度を革新的に向上し、分子数レベルの感度表記を可能とすることを目的としている。究極的に１分子感度の達成を目指しており、本課題で開発する分析手法は、昨今のSARS-CoV-2といったウイルス検出需要に応えるだけでなく、あらゆる分子種に対して適応できる汎用性の高い手法となり得る。2022年度は、従来開発してきた常温大気圧中A-GHSシステムを、バイオセンサー応用を念頭に液中環境で測定可能になるよう装置設計を行い、液中環境用セルをA-GHSシステムに組みこんだ。また、従来のA-GHSでは、入射光を固定し、試料と検出器がそれぞれθ、2θ回転することで入射角度依存測定を行うが、検出側で近接場測定を行うためには、検出側を固定し、入射側と試料を回転する必要がある。そのため入射光を偏波保持光ファイバーで回転ステージに導入できるように設計開発を行った。一方、近接場検出は、金属探針を用いた散乱型近接場顕微鏡技術を用いる。ラマン散乱や蛍光等の周波数変換を伴う検出光ではなく、入射光と近接場散乱光の周波数が同一であるため、非常に強い背景光から微弱な近接場散乱光を検出する必要がある。金属探針を試料面垂直方向に励振し、散乱光をロックイン検出することで近接場成分を高効率で検出する設計を行った。

传统的传感器灵敏度通常以摩尔浓度来讨论，例如“纳摩尔”或“皮摩尔”。纳米皮表示法听起来似乎表示灵敏度很高，但用分子数来表示时，却是10^11到10^14的巨大数字，因此可以说是使用了浓度表示法。换句话说，可以说基于分子数量的传感是不可能的。在这个项目中，我们将在世界上首次将近场检测集成到基于新分析方法“Angular Goos-Hanchen Shift (A-GHS)”的折射率传感器中，并将提高以摩尔浓度表示的灵敏度目的是创新性地改进这一点，并使在分子数水平上表达灵敏度成为可能。最终，我们的目标是实现单分子灵敏度，该项目开发的分析方法不仅可以满足近期检测SARS-CoV-2等病毒的需求，而且具有足够的通用性，可以应用于所有分子物种。这可能是一种昂贵的方法。在2022财年，我们将在室温和大气压下设计先前开发的A-GHS系统，以便可以在水下环境中测量并考虑到生物传感器应用，并且我们将把用于水下环境的单元纳入A-GHS系统就在这里。此外，在传统的A-GHS中，通过固定入射光并将样品和检测器分别旋转θ和2θ来进行与入射角相关的测量，但为了在检测侧进行近场测量，需要需要固定入射侧并旋转样品。因此，我们设计并开发了一种系统，可以使用保偏光纤将入射光引入旋转台。另一方面，近场检测采用使用金属探针的散射近场显微镜技术。由于入射光和近场散射光的频率相同，因此需要从非常强的背景光中检测微弱的近场散射光，而不是涉及频率转换的检测光，例如拉曼散射或荧光。我们设计了通过在垂直于样品表面的方向激励金属探针并锁定检测散射光来高效检测近场分量。