Development of highly sensitive real-time monitoring biosensors using asynchronous optical sampling picosecond ultrasonics

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本研究の目的は非同期ピコ秒超音波法とナノ微細加工技術を組み合わせることにより、GHz-THz帯の超音波を用いた高感度・無標識・リアルタイムバイオセンサを開発することである。昨今も注目を集めているように、病気の診断や創薬の分野において特定のウィルスやタンパク質を検出する技術は欠かせない。特に高感度・無標識・リアルタイム・ハイスループットなセンサの開発が重要である。つまり蛍光物質などの標識剤を用いずに多数の検体を高感度で検査可能で、その反応過程をリアルタイムで観察することができるセンサの開発は未だに発展の余地がある。そこで本年は非同期ピコ秒超音波法の更なる安定化・高速化・高精度化を目指した光学系の改築に取り組み、また理論計算を用いた振動子の最適化設計を行った。ピコ秒超音波法とは　フェムト秒パルスレーザを用いて金属ナノ薄膜・ナノワイヤ中に波長10-100 nmの超音波を励起することができるポンププローブ超音波計測法である。非同期計測とはそこで用いるポンプ光とプローブ光のレーザの発振周波数をわずかにずらすことで応答信号を直接観測することができる手法である。本年は検出信号の応答性を向上させトリガ信号の時間決定精度を向上させるため、650MHzまで応答可能なバランスフォトディテクタを導入し、その応答に合わせて光学系を改築した。またより高精度で共振周波数を計測することができるように振動子の改良にも取り組んだ。研究代表がこれまでの研究で提案した多層膜共振モデルと光多重反射モデルを用いて共振周波数が高くてGHz帯共振の励起・検出効率が高い膜構造を推定した。合わせて多層膜熱拡散モデル計算を用いてレーザ照射に伴う温度上昇を算出し、レーザ加熱がタンパク質に影響を及ぼさず、かつ共振周波数が高いセンサを見積もった。この計算に基づいて作製した共振周波数11GHzの振動子はQ値が従来より10倍程度向上した。