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 テラヘルツ波とは周波数100 GHzから10 THzの電磁波を意味する。1980年代より超短パルスレーザーによるコヒーレントなテラヘルツ生成・検出が可能になってから,高い信号雑音比を活用した様々な理学・工学応用が探索されてきました。同時に生命・医学研究へ従来では観測不可能であった情報を提供する技術として注目されてきた。しかしながら生体試料の個体差が大きいのに加えて,励起レーザーに起因して発生テラヘルツ波の強度が不安定であり系統的な結果を得ることが困難であったため,脱水あるいは結晶化した生体関連物質の計測しか困難であり,リキッドベースの生きた細胞を評価した研究はほとんど見られませんでした。それに対して近年,テラヘルツ波を発生する超短パルスレーザー技術,信号制御技術が飛躍的に伸びるとともに,個体差の大きい生体試料の系統的な結果を得ることができるようになり,生命・医学研究者と密接に連携することが可能となってきました。
 当研究室では,フェムト秒レーザーを用いて様々な化学反応による電気ポテンシャル分布を可視化するテラヘルツ波ケミカル顕微鏡(特許第4360687号,特許第4183735号,US PAT. 830022など)の開発に成功し,様々な応用用分野を開拓しています。
 

 

High-speed cance-cell evaluation system using a terahertz chemical microscope
テラヘルツ波ケミカル顕微鏡を用いたがん細胞高速評価装置


がんゲノム検査では、検査組織として病理検査用に作製されたホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)ブロックを使用します。このFFPEブロックは、早くて2~3日要するという課題がありました。また、作業者の不慣れによる作製工程の手技の差や、保存状態、サンプリングエラーなどの原因でがんゲノム検査に十分な DNAを得ることができない場合がしばしばあるなど、人材の育成が急務です。
 本研究では,手術中にがん細胞の種類、割合を迅速簡便に検査し、がんゲノム診断に最適な組織検体であるかを評価できる「がん細胞高速評価装置」を実現し,ゲノム解析にかかる時間を飛躍的に短縮することで、検査時間の短縮、患者負荷、コストを低減することが可能にします。
 

In-situe evaluation of lithum-ion batteries
リチウムイオン電池その場観察


高性能・高容量な二次電池は、電気自動車の航続距離などの走行性能を決める重要なコンポーネントの1つで、二次電池の性能が電気自動車自身の競争力の要となっています。二次電池は、まだ開発余地が大きく、大容量、高出力、長寿命などの点で性能向上が求められています。性能向上のために重要な要素の1つが電極の活物質です。活物質のインピーダンスとしてあらわれる電位の時間変化は、Liイオンが脱挿入する速度を表していて、高速充電性能に影響します。この時、充放電サイクルが進むと活物質表面に不可逆なSolid Electrolyte. Interface(SEI)皮膜と呼ばれる皮膜を形成し、Liイオンの脱挿入を阻害します。高性能化を目指した電極構造、活部質材料探索の為には、電池動作中すなわち、in-situで電極上でどのような電気化学反応が起こっているかについて、粒子状の活物質の粒子単位で理解する必要があります。本研究では,電極に接触することなく電位変化を捉えることが出来るテラヘルツ波ケミカル顕微鏡を用いた電池の電極非破壊評価装置の開発を行っています。
 

Detection of bio-related materials in ultra small amount of solution
超微量溶液中の生体関連物質検出


生命活動を維持するために重要な様々な生体関連物質は要素です。 病気の早期診断では,この生体関連物質を高感度に検出することが必要不可欠です。健康診断でも活用される血液検査は病気を早期発見するための最も強力な手法の一つが血液検査です。しかしながら,一般的に血液検査は医行為が含まれ気軽に行うことはできません。これに対して,2014年3月31日臨床検査技士法に基づく告示改正により、薬局などでの自己採血検査が正式に認められました。 
 近年,私たちの開発するテラヘルツ波ケミカル顕微鏡は,超微量の液体中の生体関連物質の検出が可能であることがわかり,この装置を利用することでわずかな血液で健康診断ができるようになる可能性が出てきました。
 

Quantative evaluation of penetration speed of cosmetic liquids into skins
化粧水の皮膚への浸透速度の定量評価


皮膚への薬剤浸透を評価することは,化粧水の効果を知る上で重要です。皮膚は,基底層,有棘層,顆粒層,角質層といった構造の異なる組織がわずか0.2 mmの厚さに構成されていて、かつ細胞の粗密,隙間を埋める皮脂の状態によって,薬剤浸透が大きく異なるなど複雑です。しかし,倫理の観点から,人や動物へ直接薬剤を塗布し,評価する実験を探索的網羅的に行うことは出来ません。これに対して,テラヘルツ波を用いて非破壊で薬剤浸透を評価する手法を開発しています。
 
 

 1911年ライデン大学のカマリン・オンネスがHgを絶対零度近く(4.2 K)まで冷却すると電気抵抗が突然、限りなくゼロに近づくことを発見しました。超伝導現象の発見です。さらに、1983年にベドノルツとミュラーは、酸化物セラミックスが従来の理論では理解できない高い温度(35 K)で超伝導になる(転移する)ことを発見しました。以後、さらに高い温度で転移する物質が発見され、現在では液体窒素の簡単な冷却で超伝導になる物質が数多く発見されています。
 私たちの研究室では、超伝導特有の現象を生かしたデバイスである超伝導量子干渉素子(SQUID: Superconducting quantum interference device)を活用したシステムの開発を行っています。SQUIDは非常に高い感度で磁場を検出することが可能で、医療や物性研究等に活用されています。
 

 

High-sensitive magnetic immuneassay using HTS-SQUIDs
高温超伝導SQUIDを用いた高感度磁気免疫法


我々のグループでは,磁気ナノ粒子(MNP) を抗体に結合させた上で,液中で抗原と反応させた時に起こるMNP の磁気特性の変化を,⾼温超伝導(HTS-) SQUIDを⽤いて検出することで,液中の抗原量を⾼感度計測するシステムの開発を⾏っています。このような抗原抗体反応検出技術は,⼀般にウィルスなどの病原の検出,⽣体関連物質の検出など医療研究・診断に⽤い流ことが可能です。MNP を⽤いた検出⽅は,従来の検出法である蛍光標識を⽤いた検出法と⽐較して,不透明溶液中の検査が可能,未反応抗体の洗浄処理が不要など医療応⽤を⾏う上で⼤きな優位性があり, 期待されています。
 

Current mapping of solar cells
太陽電池電流可視化システム


世の中には二次電池,太陽電池,燃料電池など様々な電池があります。
電池の特性を評価するには,電池から発生する電圧や電流を測定することが一般的ですが, 電流がどのような経路を流れているかなど,電流の分布を知ることも重要です。
そこで我々は,高感度なSQUID磁気センサを用いて電流が発生する磁場を計測し,電池内部や溶液内の電流分布を評価するシステムの開発を開発しました。
これまでに,太陽電池内部の電流が作る磁場や電解質中のイオン輸送によって発生する磁場の計測に成功しています。
さらに,この手法を応用して電気化学インピーダンスを局所領域で評価する方法の開発にも取り組んでいます。
 
 

 ケミカルセンサは,様々な化学反応を利用して物質を高感度に検出するデバイスです。我々の研究室では,新規なメカニズム・構造を開発し、より使い易く社会のニーズに役立つセンサの開発を行っています。

 

Ultra-thin film type hydrogen sensors
超薄膜水素センサ


燃料電池車が発売され,今後水素を利用する社会が近い将来実現します。ただ,水素は爆発性があり,水素の漏洩を早期に検知できる水素センサが求められています。そこで,シンプルな構造で低コスト化を実現し,多点で水素濃度を計測できる高機能水素センサの開発を行っています。
 

Compact ion sensor witout any reference electrode
参照電極不要小型イオンセンサ


従来のイオンセンサは,イオン濃度の計測に参照電極という電位の基準が必要でした。我々は参照電極を使用する代わりに,周波数特性を利用することで基準を設けることなくNaやK,Clイオンを測定可能な小型イオンセンサの開発を進めています。
 

 非破壊検査とは測定対象を壊すことなく検査を行うことで,放射線(X線),超音波,磁気などを用いた装置がこれまでに開発されています。現在の日本では,高度経済成長期に作られた建物,橋梁などが50年以上経過し,構造物に使用される鋼材の劣化が生じやすくなっています。そのため,表面から見ることができない鋼材の劣化状態を的確に診断できる非破壊検査技術が求められています。
 我々は,非接触でシンプルな検査装置が実現できる磁気を用いた非破壊検査技術の開発を行っています。従来の磁気検査法では鋼材表面のみの検査に限定されていましたが,我々の研究では,鋼材の表面だけでなく,内部の減肉や欠陥,き裂の検出を目指しています。

 

Novel evaluation technique for steel products
新規鋼材検査技術

鋼板の内部で生じる腐食などにより板厚が減少したものを非破壊検査するため,磁気スペクトル解析を用いた極低周波渦電流探傷法を開発しました。これは,鋼材に極低周波磁場を印加し,各周波数で得られた磁場ベクトルの軌跡を用いた磁気スペクトルを解析することで,鋼板の内部腐食などによる減肉量が測定可能となります。
 また,内部き裂などを検出する不飽和交流漏洩磁束法を開発し,き裂位置の判定や深さの推定を行うことが可能となりました。この手法は従来の漏洩磁束法と比較して強磁場を印加する必要がなくなり,検査装置のポータブル化も可能です。
 

None-destructive evaluation of infrastructure
インフラ構造物の非破壊検査

開発した検査技術の実用化に向けて,実際の現場で測定を行い,検証を行っています。これまでに前述の新規検査技術を用いたポータブル検査装置を開発し,橋梁桁部や橋梁橋脚部の腐食を検査し,腐食による鋼板の減肉量を評価できることを明らかにしました。また,照明柱などの地際で発生する腐食部の検査にも応用し,地面を掘削せずに地表から検査することにも取り組んでいます。