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超高感度の光子顕微鏡開発―光子を1個ずつとらえカラー画像も:産業技術総合研究所

(2017年4月5日発表)

 (国)産業技術総合研究所は45日、光の最小単位である光子を1個ずつとらえる超高感度の光子顕微鏡を世界で初めて開発したと発表した。光の波としての性質「波長」も識別でき、極めて弱い光でカラー画像化することに成功した。生体細胞が発する微弱光の観察や微量化学物質の蛍光分析など、医療・バイオ分野や半導体分野の研究開発に役立つと期待している。

 産総研はこれまで、ある種の金属を極低温にまで冷したときに電気抵抗がゼロになる超伝導現象を利用して光子を検出する超伝導光センサーを開発してきた。今回、これを光学顕微鏡の検出器として利用、従来の検出限界を大幅に超える光子顕微鏡を実現した。

 超伝導光センサーは、超伝導薄膜からなる光検出部と光を閉じ込める誘電体多層膜で構成。極低温で超伝電導状態にして光子を入射すると、そのエネルギーで光検出部の超伝導状態が一時的に壊れ電気抵抗が変化する。その変化から光子のエネルギーを計測、アインシュタインの光量子仮説に基づいて光子の波長を割り出す。

 開発した装置では、観察対象の試料から出る微弱光を通常のレンズ系で集光、光ファイバーで絶対温度0.1℃(絶対温度0℃は約-273.15℃)にした冷凍機内の超伝導光センサーに導く。この光子を超伝導光センサーで1個ずつ分離検出してエネルギーを測定、一定時間内に到達した光子の数とそれぞれのエネルギー、つまり波長から試料の色を識別し画像化する。

 カラー印刷したテストパターンを極微弱光で照らし反射光をとらえる実験をしたところ、一般的な光学顕微鏡では色の識別はできなかったのに対し、光子顕微鏡では同じ光強度でも赤、黄、青の色をはっきりとらえた。照射される光子の数が一測定点あたり20個程度でも鮮明なカラー画像が得られた。超伝導光センサーは可視光領域だけでなく赤外光や紫外光も測定できる。

 産総研は今後、「生体細胞からの発光や化学物質の蛍光などを観察し、さらなる有効性を実証したい」と話している。