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2022年4月19日 庆应义塾大学 国立研究开发法人科学技术振兴机构( JST ) 地方独立行政法人神奈川县立产业技术综合研究所 开发基于石墨烯光源芯片的红外分析新技术-以廉价、小型实现超越理论极限的性能，开发新的生物医疗新物质- 庆应义塾大学理工学部物理信息工学科的牧英之教授、中川铁马访问研究员、该研究生院硕士课程的志村惟等研究小组开发了基于多层石墨烯光源芯片(注1 )的新原理的红外分析技术。 本技术通过使用多层石墨烯光源芯片，不仅能够进行廉价且小型红外分析，而且能够实现超过以往的傅立叶变换红外线分光装置( FT-IR :注2 )的空间分辨率和理论极限的"衍射极限(注3 ) "的极高空间分辨率的红外成像。分析技术以基础研究和工业领域为首，近年来作为疾病、病原体的诊断和环境分析等身边的技术也很重要。 其中，使用FT-IR等红外光的分析技术是最有名的分析方法之一，由于可以直接获得物质结构的信息，因此作为不需要色素等标记的分析，被广泛应用于化学材料、环境、生物等各个领域。 但是，在现在的FT-IR中，由于使用卤素灯和陶瓷光源等毫米级的宏观红外光源，以及存在衍射极限已知的理论极限，空间分辨率低至10µm左右，难以进行可见光那样的高分辨率成像和微量分析。此次，我们独自开发了使用最小为500nm见方的非常微小的多层石墨烯的芯片上的红外光源，同时使分析样品直接接近石墨烯光源芯片，进行了红外分析。 其结果，与以往的FT-IR用光源相比，尽管是发光面积为百万分之一的极其微小的光源，但能够进行与市售的FT-IR同样的红外分析，并且根据使用在光源自身产生的近场(注4 )的新原理，证实了超过衍射极限的极高的空间分辨率( 1µm )。 通过使用本技术，无需使用激光等大型且昂贵的红外光源，即可在红外区域进行与可见光同等的成像和微量分析，因此有望在医疗生物新物质开发环境分析等各个领域创造出全新的红外分析技术。 本研究是在科学研究费补助金、科学技术振兴机构( JST )研究成果最佳展开支援计划A-STEP产学共同(育成型)、地方独立行政法人神奈川县立产业技术综合研究所( KISTEC )战略性研究系列培育事业等的支持下实施的。 本研究成果将于2022年4月18日(当地时间)在美国化学会( ACS )的Nano Letters杂志在线版上公开。1 .本研究要点 尽管开发了也可以亚微米(万分之一毫米)尺寸微小石墨烯光源芯片的以往的约百万分之一的微小红外光源，但根据使用在实证光源中直接产生的近场的新原理，除了小型且廉价之外， 证实了超过以往的FT-IR和理论极限(衍射极限)的高空间分辨率( 1µm )，二维成像也能够在红外区域进行与演示可见光相同的成像和微量分析，因此能够在以往不能利用红外光的领域进行红外分析，期待在医疗生物制药新物质开发环境分析等方面的新的红外应用。2 .研究背景 分析技术不仅作为物质的结构分析、鉴定、定性和定量分析用于基础研究和工业领域，近年来在各种疾病和传染病等病原体的诊断和分析、环境分析等人们的生活中也成为了身边重要的技术。 其中，使用FT-IR等红外光的分析技术是最有名的分析方法之一，不需要色素等标记，可以直接进行物质的结构分析、鉴定、定性定量分析，因此被广泛应用于化学材料、环境生物制药等各个领域。 现在，作为红外分析用的光源，主要使用具有宽红外发光光谱的卤素灯和陶瓷光源等热光源。 但是，由于以往的热光源是即使小也只有毫米级的宏观光源，所以由于衍射极限已知的理论极限等，空间分辨率被限制在10µm左右。 另外，这些热光源只能进行非常低速的闪烁( 10Hz左右)，因此也很难进行利用直接调制的高灵敏度测量。 另一方面，近年来，作为在红外区域实现高空间分辨率的技术，有利用探针前端产生的近场的扫描型近场光学显微镜( SNOM )，但需要将高亮度的激光聚光到微小的探针前端，需要非常大型且昂贵的红外波长可变激光器。 此外，还存在测量波长范围狭窄、使用需要高度熟练技能等问题，作为通用红外分析并不普及。 因此，以往的红外分析无法简便地进行高空间分辨率的局部分析，因此在化学材料、环境、生物医疗领域中，红外光谱在微小微量分析和成像中的应用极其有限。3 .研究内容成果 此次，作为新的红外分析技术，开发了亚微米级的超微石墨烯光源芯片，同时利用该光源对新原理进行红外分析，成功开发出了具有超过理论衍射极限的高空间分辨率的红外分析系统(图1 )。 石墨烯光源芯片作为小型、高速、廉价芯片上的全新红外光源，在2018年的Nature Communications杂志上刊登(注5 )等，是本研究小组持续独自开发的新红外光源。 本研究新开发了最小为500nm见方的超小型石墨烯光源芯片。 此外，通过使测量样品接近该光源，实现了利用来自微小石墨烯光源芯片的红外光的新型红外分析系统。 多层石墨烯光源与以往FT-IR中也使用的红外热光源相比，可以高速直接调制数千倍( 1秒钟可闪烁10万次)，因此本分析系统通过调制石墨烯光源进行红外分析，实现了高灵敏度分析。 这表明，与传统红外光源相比，石墨烯光源是百万分之一左右的超微光源，但仍可以进行与现有FT-IR相同的红外分析(图2 )。 另外，通过扫描样品进行红外成像测量时，证实了高空间分辨率( 1µm )的红外成像远远超过以往的FT-IR的空间分辨率。 另外，还表明该高空间分辨率通过石墨烯光源自身产生的近场，实现了超过作为理论极限的衍射极限的空间分辨率。 此外，用特定化学结构(官能团)特有的波长进行成像后，显示物质化学结构空间分布的化学成像观测也成功了。 4 .今后的开展 本技术与高空间分辨率分析技术SNOM不同，完全不使用昂贵且大型的波长可变激光器等外部光源和探针，通过直接使用光源自身产生的近场来实现高空间分辨率，是基于新原理的红外分析技术。 通过使用本技术，可以在红外区域也廉价且简便地利用与可见光同等的成像和微小微量分析，因此可以在至今为止不能利用红外光的新领域中应用红外分析，在医疗生物制药新物质开发环境分析等各种领域中，有可能创造出全新的红外分析技术。 特别是近年来，分析技术不仅仅是基础研究和产业技术，还在环境测量、疾病和传染病等的诊断分析中展开，在人们的生活中也成为重要的技术，因此本技术有望应用于极其广泛的领域。 ※本研究的一部分是JST研究成果展开事业研究成果最佳展开支援计划A-STEP产学共同(育成型) JPMJTR20R4、地方独立行政法人神奈川县立产业技术综合研究所( KISTEC )战略性系列培养事业、科学研究费补助金( 16h 04355、23686055、) 20H02210 )、自旋电子学学术研究基础与合作网络、文部科学省纳米技术平台事业( NIMS微细加工平台)等支持下实施。
图1左上图:开发的石墨烯光源示例。 右上图:基于石墨烯光源的红外分析技术示意图。 下图:研制的石墨烯红外分析仪示意图及实际照片。
图2左图:聚苯乙烯的红外吸收光谱，使用市售的FT-IR和本技术的石墨烯光源分析。 中图:二维红外成像(石墨烯分析与市售FT-IR比较)。 右图:二维化学成像(无官能团吸收和O-H基吸收波长下的成像像) <原论文信息> 标题(日文) :Microemitter-basedIR spectroscopy and imaging with multilayer graphene thermal emission (基于多层石墨烯的微热光源的高空间分辨率红外光谱和成像技术。)作者姓名: Kenta Nakagawa，Yui Shimura，Yusuke Fukazawa，Ryosuke Nishizaki，ShinichiroMatano，Shuma Oya and Hideyuki Maki 刊登杂志: Nano Letters，https:///10.1021/ACS.nano lett.1c 04857 <术语说明> (注1 )多层石墨烯光源芯片 铅笔芯等原料石墨的一层称为石墨烯，本研究利用多层层叠的多层石墨烯制作红外光源。 与卤素灯等红外光源不同，可以使用半导体光刻技术在硅或石英芯片上高集成地制作。 (注2 )傅立叶变换红外线分光装置( FT-IR ) 有机分子等物质可以得到与被称为官能团的分子结构相应的特有的红外吸收，是通过测定红外吸收光谱能够进行物质的识别、结构分析、定量定性分析的装置的总称。 它可以直接分析物质，无需荧光和色素等标志物，广泛应用于化学、物理、生物制药等各个领域，是最有名的分析方法之一。 另外，近年来，有望用于疾病和传染病的诊断分析等，使用红外光的分析，在医疗领域也受到关注。 (注3 )衍射极限 在显微镜等中，由光的衍射现象产生的空间分辨率的理论极限。 由于与光的波长成比例，所以对于波长较长的红外光，由于衍射极限导致空间分辨率下降。(注4 )近场 在物体表面与波长相比足够近的距离处产生的非传播光。 由于其局部存在于物质表面，且尺寸为物体尺寸左右，因此被应用于通过对探针前端的激光照射等产生、超过光衍射极限的显微镜技术中。 在本技术中，通过使用石墨烯，使用在光源中直接产生的近场，成为新原理的分析成像技术。 (注5 ) ※新闻稿“开发硅片上的石墨烯高速发光元件”( 2018年3月30日发布) https://www.keio.AC.jp/ja/press-releases/2018/3/30/28-43298 / 关于研究内容的咨询地址庆应义塾大学理工学部物理信息工学科教授牧英之 tel:045-566-1643电子邮件: maki [ at ] appi.keio.AC.jp http://www.az.appi.keio.AC.jp/maki / 关于JST事业的事 科学技术振兴机构产学合作展开部研究支援组星润一 tel:03-5214-8994传真: 03-5214-8999 e-mail:a-step [ at ] jst.go.jp 关于KISTEC事业的事 地方独立行行政法人神奈川县立产业技术综合研究所研究支援科渡部俊彦 tel:044-819-2034传真: 044-819-2026电子邮件: rep-ken kyu [ at ] kistec.jp 此版本的来源 庆应义塾宣传室(泽野) tel:03-5427-1541传真: 03-5441-7640 e-mail:m-pr [ at ] adst.keio.AC.jp https://www./ 新闻负责人 科学技术振兴机构宣传科 tel:03-5214-8404传真: 03-5214-8432电子邮件: jst koho [ at ] jst.go.jp |
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