【研究領域課題番号】20K14748 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオセンサー / プラズモニック色 / イムノアッセイ / プラズモン / プラズモニック呈色 / 比色法 / 表面プラズモン / バイオセンシング / 金属ナノ構造配列

【研究成果の概要】

本研究は、疾病や健康状態に関わる生体分子をスマートフォン内蔵のカメラで迅速・高感度かつ定量的に検出できるバイオセンシング技術を確立することを目的としている。そのために、プラズモニック色によって発色する金属ナノ構造配列をセンサ基板表面に作製し、標的となる生体分子の捕捉によってセンサ感応部の色が変化するバイオセンサ基板を開発する。
センサ基板に用いる金属ナノ構造として、鮮やかに発色する金属ナノドームアレイ構造を作製した。これまでに、色相角度で数値化された色をセンサ信号に用いるために最適な金属ナノドームアレイ構造のパラメーターの探索を行い、溶液の屈折率変化を検出する屈折率センサとしての性能評価を行った。溶液のバルク屈折率感度測定では、比色法で優れた屈折率分解能が得られることが明らかにした。
2021年度は、提案手法のバイオセンサ性能をモデルサンプルによるイムノアッセイで評価した。同一のセンサスポットで反射分光法および反射画像からの色相角度解析する比色法による測定を行い、両手法による検出感度の差異を信号対ノイズ比および検出限界濃度を指標として評価・比較した。その結果、センサ基板表面に結合した標的分子を検出するイムノアッセイにおいても、比色法と分光法で同程度のセンサ性能が得られることが明らかとなった。また、信号増強プローブを用いない非標識な計測であっても、高感度に生体分子を検出可能であることが示された。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】19H02533 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光圧 / 局在プラズモン共鳴 / 光駆動ナノモーター / 表面プラズモン / 金属ナノ構造 / プラズモンセンサー / ナノモーター / プラズモン

【研究成果の概要】

金属ナノ構造表面近傍の分子の状態や化学反応等に応じて自律的に運動を制御する光駆動ナノモーターの創出を目指し、分子とナノ構造の相互作用に伴う局在プラズモン共鳴変化により光圧が高感度に応答する金属ナノ構造体を研究した。特に、本年度は、シミュレーションによるナノ構造の設計を集中して行った。
長さの異なる２本のナノロッドは、局在プラズモン間の位相差により指向性側方光散乱を生じる。この反作用として、散乱方向と逆向きにナノロッドペアに面内光圧が働く。この光圧を駆動力とするナノモーターを基に設計を行った。この光圧は局在プラズモン共鳴に基づくものであるため、周辺屈折率変化に応じて力の大きさが変化する。今回、片方のナノロッドのみをSiO2で囲んだナノ構造を考えた。つまり、周辺屈折率変化に対して、SiO2で囲んだナノロッドのプラズモン共鳴は変化しない。これにより、周辺屈折率の変化に対するロッド間のプラズモン位相差の変化が増大すると期待される。設計したナノ構造の光散乱パターンを電磁場シミュレーションにより解析したところ、周辺屈折率に対する散乱の指向性が、SiO2を囲んでない場合と比較して大きく変化することが確認された。また面白いことに、SiO2で囲んだロッドのプラズモン共鳴が変化しないため、周辺屈折率を大きくしていくと位相差の逆転が生じ、指向性散乱の方向が逆方向に転ずる様子が見られた。そこで、面内光圧をMaxwell応力法によって計算したところ、周辺屈折率に対して力の大きさが変化するだけでなく、力方向が逆転することも確認できた。従って、周辺屈折率に応じて運動方向を自律的に制御するナノモーターが期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究領域課題番号】18K18992 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / 光圧 / ラマン光学活性 / プラズモン / 光捕捉 / 表面プラズモン / 光トラッピング / 中赤外 / グラフェンプラズモン

【研究成果の概要】

本研究では、表面プラズモンの光圧ベクトルを光捕捉したナノ粒子のポテンシャル解析によって測定することで、中赤外グラフェンプラズモンの波数ベクトルを高い空間分解能でイメージングする方法の開発を行った。期間内に、可視から中赤外域にわたる領域で透明なシステムを開発し、光捕捉ポテンシャル解析を用いてナノ粒子に働く中赤外光圧のアップコンバージョン計測を実現した。また、グラフィンナノリッジが表面プラズモンの光励起を可能にし、リッジの配列構造が表面プラズモンの伝搬方向を制御することを見出した。さらに、ツイストスタック二層グラフェンがラマンキラル活性を示すことを初めて明らかにした。

【研究の社会的意義】

単原子層グラフェンで生じる伝搬表面プラズモンは、ナノデバイスへの応用に向けて、ナノ空間で光励起し、その伝搬方向を制御する研究が活発に行われてきた。本研究では、グラフェンプラズモンの波数ベクトルを高い空間分解能でイメージングする方法を開発するとともに、グラフィンナノ構造が表面プラズモンを光励起し、その伝搬方向を制御することを見出した。この成果は、従来理論研究が多かったグラフェンプラズモンの実験研究が飛躍的に進みナノデバイス応用に向けて大きく前進すると期待される。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2020-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究領域課題番号】18H01468 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物半導体 / ナノ粒子 / 赤外領域 / 表面プラズモン / 遮熱 / フォノン / 機能制御 / クロック機能 / 赤外帯域 / 反射遮熱 / 近接場 / プラズモン / 遮熱断熱 / クロミック機能 / 赤外 / 固液界面 / 赤外域

【研究成果の概要】

省エネ社会に向けて、窓から侵入する日射熱を効率よく遮断する光機能が要求されている。特に、従来のエレクトロクロミック技術は、近赤外光と可視光を同時に光遮断するため近赤外光のみの光透過率を外場制御することが難しい課題があった。本研究では、透明酸化物半導体ナノ粒子の電子濃度の外場制御に基づいた新しいスマートウインドウの開発を目指した。最初に、紫外線照射に伴う表面プラズモン励起の光制御の観点から、ナノ粒子内の電子濃度と表面プラズモン共鳴の相関を確認し、プラズモン共鳴が電子濃度に依存することを見出した。更に、電気化学的手法を用いたナノ粒子内への電子注入を実施し、近赤外域の透過率の電気的変調に成功した。

【研究の社会的意義】

ワイドギャップ酸化物半導体の表面プラズモンの電子キャリア制御に着目し、可視と近赤外光を独立に制御するエレクトロクロミックを開拓する点が社会的・学術的意義となる。特に、(1) 酸化物半導体ナノ粒子が表面プラズモンの励起場として機能。(2) 固液界面による静電的な電荷蓄積とナノ粒子内の電荷変調。(3) 近赤外表面プラズモンと電子キャリアの電場制御。これらの研究視点は、プラズモンクロミックという新しい光操作技術となる。更に、静電的な電子蓄積による電子ドーピングは、酸化物半導体の表面プラズモン制御という観点においても興味深い研究となる。故に、遮熱の機能制御を実現する先駆的な光・熱制御技術となる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)

【研究分野】光工学・光量子科学

【研究領域課題番号】16H03889 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自然知能 / 組み合わせ最適化 / スピングラス / 相変化材料 / コロイド結晶 / アニーリング / 最適化問題 / 表面プラズモン / コロイド粒子 / プラズモン / フォノンポラリトン / フラストレーション / 応用光学・量子光工学 / 先端機能デバイス / 光物性 / 流体工学

【研究成果の概要】

スピングラスの解探索を目的とした物理計算機の開発を２つのアプローチで試みた。１つはスピングラスを結合振動子系に置き換え、その最低固有モードを求める問題に変換するものである。アルゴリズムとしての評価を実施し、既存の焼きなまし法と比較して約１桁の計算時間短縮が確認された。また物理実装法として、結合プラズモン粒子系において、粒子間相互作用を相変化材料によって自律的に調節し、高速で最適解に到達するスキームを考案した。２つめは、フラストレーションをかかえたスピン格子系と等価な２次元コロイド結晶に着目した。１umのポリスチレンビーズを使った物理実装を実現し、最適解に至るアニーリング過程を可視化した。

【研究の社会的意義】

相変化材料による演算・記憶機能が大域的に相関を形成することを実証し、その機構の多様性、多自由度性と複雑性に基づく入出力相関の中にコンピューティング機能、さらには広義の知性を見出す契機となった。これらの研究を通して非ノイマン型コンピューティングの新しい着想と設計論が生まれると期待され、工学的意義は大きい。
既存のアルゴリズムの実装によるコンピューティング機能の実証を通して、脳機能や複雑な自然・社会現象の理解を目的とした構成論的アプローチ、すなわち複雑な相互作用、相関形成機能を内在したシミュレータを実際に動かして現象の理解に役立てるへの応用という新しい視座を得ることができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)