大阪府立大学

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―

更新日:2021年1月14日

北海道大学 電子科学研究所の笹木 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 基礎工学研究科の石原 一 教授、および北海学園大学 工学部の藤原 英樹 教授の研究グループは、数百ナノメートル(1ナノメートル=10億分の1メートル)まで細くした光ファイバーが発生する光の力(光圧)(解説1)を利用して、液体中を漂うナノ粒子を一粒ずつ捕集し、品質や特性に応じて選別・輸送する新技術の実験に初めて成功しました。

研究概要

(左)ナノ粒子の輸送の概念図(右)光選別輸送実験結果

(左)ナノ粒子の捕集・特性選別・分離輸送の概念図(右)光選別輸送実験結果

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ますが、大きさ・形・含有物によって粒子一粒ずつの品質や特性が異なるため、一層の高品質化・高性能化にあたって、所望のナノ粒子を選別・分離する技術が求められていました。

この解決に向け、本研究では通常の光ファイバーの100分の1以下まで細線化したナノファイバーに両端から波長が異なる2つのレーザー光を入射する装置を開発しました。ナノ粒子の特性や含有物で光圧の働き方が異なることを利用して一粒ずつ選別・分離させる、全く新しい原理のナノ粒子選別法を実現しました。

この技術で、ナノサイズのダイヤモンド微粒子を、「窒素空孔中心(NVセンター)(解説2)」と呼ばれる構造欠陥の有無によってそれぞれ反対方向に輸送し、また、その動きを読み取ることにより単一粒子の高精度吸収分光計測にも成功しました。この技術を応用して高品質化したナノダイヤモンド粒子により、バイオイメージング、量子センサー、量子デバイスなどの高性能化が期待されます。

本研究成果は、日本時間 2021年1月14日(木)午前4時にScience Advances誌にオンライン掲載されました。

論文タイトル「Optical selection and sorting of nanoparticles according to quantum mechanical properties(量子力学的特性によるナノ粒子の光選別分離)」

研究成果のポイント

  • 性質の異なるナノ粒子を、光の力で一粒ずつ捕集・選別・輸送する新技術を開発。
  • ナノダイヤモンド粒子の構造欠陥の有無を光選別して反対方向に輸送する実験に成功。
  • 光の力で単一ナノ粒子の高精度分光計測も可能に、ナノ材料を高品質化・高性能化する革新的技術。

SDGs達成への貢献

目標9:産業と技術革新の基盤をつくろう

大阪府立大学は研究・教育活動を通じてSDGs17(持続可能な開発目標)の達成に貢献をしています。

本研究はSDGs17のうち、「目標9:産業と技術革新の基盤をつくろう」等に貢献しています。

研究助成資金等

本研究は、科学研究費助成事業新学術領域研究「光圧ナノ物質操作」(領域代表:大阪府立大学 工学研究科 石原  一 教授)の助成を受け行われました。

用語解説

解説1 光の力(光圧)

光が物質に吸収されたり散乱されたりする際に、物質に力を及ぼす力のこと。
光強度の勾配に沿った力が物質に及ぼされますが、これも光圧の作用として知られています。彗星の尾が太陽の方向と反対側へ押されるような形状をしているのは光圧のためです。
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」技術の発明により、アシュキン博士が2018年ノーベル物理学賞を受賞しています。

解説2 ナノダイヤモンド窒素空孔中心(NVセンター)

ダイヤモンドの結晶中、本来は炭素があるべきところが窒素(N)で置換され、隣接する位置に空孔(V)がある複合欠陥で、窒素空孔中心が電子1個を捕獲して負に帯電した時に窒素空孔中心はスピンと呼ばれる磁気的な性質を示します。室温でも窒素空孔中心1個が持つスピンが観測でき、その他、磁場、電場、圧力等に対する高感度なセンサーとしても機能するため、量子コンピューターや高性能なセンサーの新材料として注目を集め、世界中で盛んに研究されています。

関連情報

お問い合わせ

大阪府立大学 工学研究科

教授 石原 一

Tel 06-6850-6405 Eメール ishi[at]pe.osakafu-u.ac.jp[at]の部分を@と変えてください。