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梶川浩太郎 - 物理電子システム創造専攻

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梶川浩太郎 - 物理電子システム創造専攻
物理電子システム創造専攻
Department of Electronics and Applied Physics
プラズモン・ナノフォトニクスを使った
非線形光学効果とバイオセンシングデバイス
梶川 浩太郎
研究室
専門分野:近接場光学・非線形光学材料・液晶
Home Page : http://www.opt.ip.titech.ac.jp/
● 研究目的
●
光をナノメートルサイズの領域に閉じ込めることは可能でしょうか。一見、光の波動性と矛盾するような問
いですが、金属中の電子波モードの一種である表面プラズモン共鳴を使えば可能となります。私たちはこのよ
うな表面プラズモンを巧みに操り、非線形光学や表面局所光物性への新しい展開をめざしています。また、表
面プラズモンを利用した DNA やタンパクを検出する超小型光ファイバ・プラズモンバイオセンサやプラズモ
ン・バイオチップの開発を行っており、基礎物性から応用までを広くカバーすることを目ざして研究を行って
います。
● 研究テーマ
●
1 .表面プラズモンとは?
金や銀などの貴金属は、ナノメートルサイズの微粒子になると鮮やかな色を呈するようになります。古くか
らこの性質を利用して、教会のステンドグラスや装飾品に使われる着色ガラスなどの顔料として金属微粒子が
用いられてきました。近年では、自動車の塗料や光学フィルタなど様々な分野で金微粒子の利用が考えられて
います。このような金属微粒子における着色現象は、金属中の電子波の特異な性質である表面プラズモン共鳴
(SPR: surface plasmon resonance)によるものです。一般に、金属中の電子は光と相互作用しません。しか
し、金属表面やナノ微粒子中の電子は、特別な条件のもとで光と相互作用します。これが表面プラズモン共鳴
で、特にナノ微粒子中などに生じる局在表面プラズモン共鳴は、ナノフォトニクスへの興味の高まりとともに
注目されるようになってきました。この光学技術を「プラズモニクス(plasmonics)
」といいます。電子と光
が密接に連携したこの現象には、既存の光学技術にはない以下の特徴があります。
(a)回折限界を超えたナノメートル領域への光の閉じ込め ナノ光導波路などへの応用が研究されていま
す。光ファイバなど誘電体光導波路では数μ m 程度のサイズが必要ですが、プラズモンを用いるとこ
れよりずっと小さい領域に光を閉じ込めることができます。
(b)表面プラズモン共鳴による局所電場の著しい増強 共鳴時は、数百倍∼数千倍に光強度が増強します。
最近、これを利用して分子 1 つのラマン分光ができるようになりました。また、後述のように巨大非
線形光学効果など光デバイスの分野でも応用が期待されています。
(c)表面プラズモン共鳴が表面近傍の状態に著しく敏感であること 金属ナノ表面にわずかな分子が結合
するだけで共鳴の状態が変化します。これを利用するとバイオセンサなど各種センシングデバイスを
作製することができます。単純な原理なので、その応用分野も多岐にわたります。
私たちの研究は、主に(a)と(c)を利用したバイオセンシングデバイスと(b)を利用した 表面プラズモ
ン共鳴による巨大非線形光学効果の研究に分けることができます。以下、その内容を簡単に紹介します。
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2 .表面プラズモンを利用したバイオセンシングデバイス
表面プラズモン共鳴の応用分野として最も進んでいるのが、DNA や蛋白質などを検出するバイオセンシン
グデバイスです。私たちは、図 1 に示すようなナノ微粒子を用いた局在型表面プラズモン共鳴センサを開発し
ました。光ファイバを使っているので、プローブ部分を好きな位置に移動することができます。さらに、試料
の量が 1 滴の 10 分の 1 から 100
分の 1 でも検出が可能で、表面
プラズモンを利用したバイオセ
ンシングデバイスとしては最小
のサイズです。現在はナノメー
トルサイズのセンサを構築する
ことを目標としています。また、
これをアレイ状に基板にならべ
て、一度に多量の項目を網羅的
に分析できるバイオチップの作
成も行なっています。これらの
成果は、生化学、遺伝子工学、
医療、製薬の分野だけでなく、
情報科学などの分野へも大きな
波及効果をもたらすと考えてい
図 1 (a )超小型光ファイババイオセンサシステムとセンサプローブ
(b ) 用いた金のナノ微粒子 (c )蛋白質の一種であるアビジンの検出結果
ます。
3 .プラズモンによる巨大非線形光学効果
表面プラズモンが共鳴状態にあるとき、数 100 倍の光強度の増強がおこっています。非線形光学効果は光強
度に対して 2 乗、3 乗で増強されるため、非線形光学材料の効率の向上には表面プラズモン共鳴は非常に効果
的です。そのため、波長変換をはじめとする各種の微小光デバイスへの応用が考えられています。一方で、非
線形光学効果が光強度に敏感であることを利用して、表面プラズモン共鳴の電場増強メカニズムの研究も行な
っています。たとえば、フラクタル次元を持つ表面では、著しく電場が増強した領域(数万倍以上)が存在し
ます。しかし、そのメカニズムはまだ未解明なことも多く、このように非線形光学効果を使った局在表面プラ
ズモンの研究は、基礎的な面白さだけでなく電気化学や表面科学への展開が考えられます。さらにこの技術は、
光情報デバイスなどフォトニクス分野はもちろん、環境やエネルギー分野への応用も考えられます。
● 教員からのメッセージ
●
私たちは広い分野を研究対象としてますので、メンバーのバックグラウンドは様々です。皆さんの得意なそ
れぞれの分野で個性を発揮しています。
●参考文献
1. 研究室のホームページ http://www.opt.ip.titech.ac.jp
2. 梶川、三井 「応用物理」2003 年 12 月号 72 巻 1541-1544.
3. 梶川 「光学」
2004 年 3 月号 159-164.
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