北海道大学大学院の坪井泰之准教授らの研究グループは、金属中の自由電子の振る舞いを利用した新しいタイプの「光ピンセット」を開発し、従来の光ピンセットではできなかった細胞よりも小さな高分子粒子を自在に捕捉し、配置することに成功した。国際光工学会(The International Society for Optical Engineering；SPIE)のサイト誌「SPIE Newsroom」に発表した。

光ピンセットは、高強度のレーザービームを集光させると、小さな粒子が焦点に引き寄せられる性質を利用した技術で、マイクロ加工や生物学の研究で使われている。しかし細胞よりも小さなタンパク質やDNA(デオキシリボ核酸)などの高分子を操作することはできず、物体が小さくなればなるほど、それを引き寄せて捕捉する光の力も弱くなる欠点があった。

研究グループは、金属にある波長の光を当てると金属中の自由電子が集団で“さざ波”のように動き出す現象「プラズモン励起」に着目した。この現象によって照射した光の強さが1万倍以上に増強され、物体を捕捉する力も1万倍強くなると考えられた。

そこで、ガラス基板の上に金粒子の四面体ピラミッドを築き、プラズモン励起を起こす近赤外光を照射することで、水溶液中の高分子試料を効率よくピラミッド底角近くで捉える実験に取り組んだ。その結果、細胞やウイルスよりもはるかに小さなナノメートル(10億分の1メートル)サイズの高分子粒子を捕捉し、六角形やリング状など自在に配列させることに成功したという。

開発した「プラズモン光ピンセット」によって、異なる分子系同士を空間的に接触させた化学合成やDNAハイブリダイゼーションなどが可能となり、今までできなかった新しい診断ツールであるDNA チップやタンパク質チップの実現によって在宅診断や各種臨床検査の業務も大きく変わるかもしれないという。

プラズモン光ピンセットの模式図

(a) 直径500 ナノメートルの高分子粒子を捕捉し、2次元的に六角形に整列させた。

(b) タンパク質モデル高分子のゲルナノ粒子を捕捉し、描いたリングパターン。

(画像提供：北海道大学)