中赤外フォトサーマル顕微鏡で原理限界を超える約100nmの空間分解能を達成：研究開発の最前線

東京大学は、約100nmの空間分解能を有する中赤外顕微鏡を開発した。微細な構造を持つ物質の非破壊、非標識、非接触での分子振動イメージングが可能となり、生物学や医学、材料工学などへの応用が期待される。

[MONOist]

　東京大学は2024年4月17日、約100nmの空間分解能を有する中赤外顕微鏡を開発したと発表した。中赤外光の吸収に基づく熱による屈折率の変化を可視光の顕微鏡で定量する中赤外フォトサーマル顕微鏡を用い、原理限界を大幅に超える空間分解能を達成した。

　中赤外顕微鏡は、通常の光学顕微鏡では捉えられない分子振動の空間分布画像を得られる特殊な顕微鏡だ。しかし、波長が2〜20μmの中赤外光による手法のため、空間分解能が数千nm程度と、光学顕微鏡に比べて約10倍程度低い。この欠点を補うために、中赤外フォトサーマル顕微鏡の技術開発が進められている。

　今回の開発では、中赤外フォトサーマル顕微鏡に高い開口数を持つ対物レンズを使用し、異なる照明角度により広い空間周波数成分の情報を得られる開口合成法を導入。さらに中赤外フォトサーマル効果で生じた熱が拡散する前に計測できるよう、ナノ秒以下のパルス幅を持つ中赤外光パルス光源を開発し、120nmの空間分解能を達成した。

（a）単一の対物レンズで開口合成を用いた中赤外フォトサーマル顕微鏡の概要。（b）開口合成法の概略。（c）パルス幅の短縮による効果［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　細菌内部のタンパク質や脂質といった生体分子の観察では、空間分布を非標識で可視化することに成功している。

高空間分解能中赤外フォトサーマル顕微鏡によるバクテリアのスペクトルイメージング解析［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　可視光の波長と対物レンズの開口数の最適化により、100nm以下に分解能を高められる見込みだ。微細な構造を持つ物質の非破壊、非標識、非接触での分子振動イメージングが可能になり、生物学や医学、材料工学などへの応用が期待される。

⇒その他の「研究開発の最前線」の記事はこちら