発表日:2022年11月03日

世界初、光で液体の特性や液中の粒子を超高感度に検出する技術を実現

〜液体中の所望の位置で計測できる化学・バイオセンサやレオロジー応用に期待〜

日本電信電話株式会社（本社:東京都千代田区、代表取締役社長:島田明、以下「NTT」）は、液体中の所望の位置で粒子や粘性を計測できる光ファイバを用いた超高感度センシング技術を実現しました。

液体の粘性や液中物質を高感度に検出・評価する技術の開発は、医療・材料応用に加え、レオロジー（※1）やバイオロジーといった幅広い分野において重要です。特に、機械振動子（※2）を用いたセンシング技術は、センサを直接液体に挿入して計測・評価できる簡便な技術として注目されます。これまで、直径1センチメートル程度の水晶振動子センサを用いた電気計測（※3）が広く用いられていますが、検出感度と空間分解能を抜本的に改善できる新しいセンシング技術の開発が期待されていました。

本研究では、微細なガラス線から作製した髪の毛サイズの機械振動子を用いて、液体の特性や液中粒子の質量を超高感度に計測できる空間分解能の高いセンシング技術を実現しました。光ファイバによる読み取りを可能とするこの新しいセンシング技術は、液体中の所望の位置での高感度な分子検出や、不均一溶液の特性評価など、従来手法では困難な応用展開を可能とするIoTセンサへの応用が期待されます。

本成果は、米国の科学誌「Science Advances」（米国東部時間11月2日付）に掲載されました。なお、本研究の一部は独立行政法人日本学術振興会科学研究費助成金の助成を受けて行われました。

＊図1は添付の関連資料を参照

1.背景と成果の概要

液体中での高感度な計測を可能とするセンサの開発はバイオテクノロジーやナノテクノロジーなど幅広い分野において重要です。例えば、生体分子を高感度に検出することのできるセンサの開発は、バイオチップ（※4）を用いた高精度な医療診断応用に繋がります。また、液体の局所的な密度や粘性を測定することのできるセンサの開発は、液中における複雑な拡散・凝集過程の観測や機能性流体（※5）の創出など、物理現象の解明や新規材料の開発に繋がります。

従来、液体に直接挿入できる簡便なセンサとして、水晶振動子センサが知られています。水晶振動子が液体に浸ると、液体の密度や粘性の影響を受けて振動特性が変化します。また、粒子などの物体が付着した場合も振動特性が変化します。従って、振動特性の計測により液中の情報を読み取ることができます。これまで、直径1センチメートル程度の水晶振動子を用いた電気計測手法が広く使われていますが、空間分解能と検出感度の抜本的な改善が課題として挙げられていました。

本研究では、従来のセンサよりも断面サイズが100分の1ほど小さなガラス細線からなる機械振動子を用いて、液体の特性や液中粒子の質量を超高感度に計測できる空間分解能の高いセンシング技術を実現しました。本技術は、光ファイバを用いて機械振動子の微小振動を検出するオプトメカニカル手法に基づいており、NTTがこれまで培ってきた光技術と機械振動の極限検出技術を組み合わせることにより、今回初めて実現しました。

＊以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

図1

https://release.nikkei.co.jp/attach/643436/01_202211041009.jpg

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/643436/02_202211041009.pdf