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測定・評価

光の力でナノ粒子を一粒ずつ選別・輸送することに成功 ~医薬品,バイオセンサー,太陽電池,量子コンピューターの高品質化・高性能化への応用に期待~

 北海道大学,大阪府立大学,大阪大学,及び北海学園大学は2021年1月14日,北海道大学電子科学研究所 笹木 敬司教授,大阪府立大学大学院工学研究科/大阪大学大学院基礎工学研究科 石原 一教授,及び北海学園大学工学部 藤原 英樹教授の研究グループが,数百nmまで細くした光ファイバーが発生する光の力(光圧)を利用して,液体中を漂うナノ粒子を一粒ずつ捕集し,選別・輸送することに成功したと発表した.本研究は科学研究費新学術領域研究の助成を受け,成果はScience Advances誌に掲載された(注).

 ナノ粒子は,ナノサイズに特有な性質や機能を持つため,医薬品,化粧品,バイオセンサー,触媒,太陽電池,量子コンピューターなど様々な分野で応用されているが,大きさ・形・含有物によって品質や特性が異なるため,特定のナノ粒子を選んで評価し,所望のナノ粒子を選別・分離する技術が求められる.一方,光は,透明物質で屈折したり散乱したりする際に物質に光圧を及ぼし,集光したレーザーの光圧を用いて細胞や微生物の器官を捕捉して操作する「光ピンセット」技術の発明には2018年のノーベル物理学賞が贈られ,市販の顕微計測器に光ピンセットが組み込まれるようになった.

 光によるナノ粒子の捕捉と操作は光を吸収するナノマテリアルにも展開される.物質の共鳴光吸収は,光子のエネルギーを電子の量子力学的運動に変換するだけでなく,運動量の伝達によってナノ粒子に光圧を与える.しかしながら,個別のナノ粒子の量子力学的性質を用いた光操作は難しかった.これに対し,本研究グループは,対向してナノファイバーを伝搬する波長の異なる2つのレーザー光が与える共鳴吸収と光散乱による力の均衡を利用して,窒素-空格子中心(N-Vセンター)を持ったナノダイヤモンド粒子(r-ND)と持たないナノダイヤモンド粒子(n-LD)の分離・輸送に成功した.

 市販の単一モード光ファイバーを約1400℃に加熱して数百μmに渡り直径400nmに引き延ばす.このファイバーをガラス基板上にセットし,波長532nmの緑色レーザーダイオード(LD)と1064nmの近赤外LD光を対向させ,粒径50nmの上記2種のナノ粒子の分散水溶液に入射させる.690nmの赤色LDプローブ光でナノ粒子を照らしてCCDカメラでその動きを観察した.r-NDは532nmの光を共鳴吸収するので,散乱光による光圧以外の力が加わる.このため,n-NDへの光圧が対向するLD光で均衡するように入射光を調整しておくと,n-NDは止まっているが,r-NDは共鳴吸収に伴う運動量によって移動することが観察された.N-V中心を有するND粒子だけの光選択分離である.さらに,ナノファイバーに沿って動く速さを測定することによってND粒子一粒中に何個のN-Vセンターがあるかを解析することも実現可能となった.

 今回新たに開発したナノ粒子の光圧捕集・選別・輸送技術が,高純度医薬品,高感度バイオセンサー,高効率太陽電池,高性能量子コンピューター素子の開発に貢献することを期待している.

(注)Hideki Fujiwara, Kyosuke Yamauchi, Takudo Wada, Hajime Ishihara, and Keiji Sasaki1, "Optical selection and sorting of nanoparticles according to quantum mechanical properties", Science Advances  13 January 2021: Vol. 7, no. 3, eabd9551, DOI: 10.1126/sciadv.abd9551