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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。

Super-resolution measurements are important for understanding solute molecular transport phenomena in very small spaces dominated by surfaces, which are accompanied by advances in fluid science and engineering in 100 nm space. Most of the super-resolution measurement methods are applicable to light, solute molecules and particles. This study is aimed at developing a new method of ultra-resolution non-dispersive particle tracing based on the methodology of optical scattering. Specifically, research item A: measurement of particle image generation, research item B: construction of super-resolution analysis model using particle image analysis method, research item C: detection of non-fluorescent particle tracking in flow path, research item D: application of non-fluorescent particle tracking in flow path. In 2022, the research project A was selected. The flow path is composed of scattered light, reflected light and interference. Reflected light from the surrounding area is evaluated for the decrease of S/B ratio, the material of flow path, the presence or absence of flow path processing, the structure of flow path, the emission of scattered light, and the influence of noise. As a result, the structure of the optical system has been greatly reduced in time, and the flow path processing has been greatly affected. The material of quartz is the most suitable one for low temperature and low temperature. The above discussion is successful. The results show that the optical system optimization of the structure and measurement of the fluid flow system in the next year, the detection of dry scattered light in the flow path of 10 nm particles, and the detection of scattered light are optimized.