第22回『EIIRISイブニングコロキアム』 2015年4月14日ミクロ現象をマクロな世界へ、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）とその応用豊橋技術科学大学環境・生命工学系田中三郎 1 講演概要 • • • • 歴史を振り返ってＳＱＵＩＤセンサの基礎ＳＱＵＩＤセンサ応用まとめ 2 Discovery of Superconductivity 1911 Courtesy of J. Clarke 3 Discovery of Superconductivity University of Leiden 2011 4 100 Years of Superconductivity CRC Press ISBN:978-1-4398-4946-0 5 超伝導になる元素超伝導転移温度 Pb: 7.2 K Al: 1.1 K Sn: 3.7 K Nb: 9.5 K La: 6.0 K 6 Transition Temperature Over the Year NdOFeAs MgB2 BaKFeAs LaOFeAs LaOFeP 2020 1987 Courtesy of J. Clarke 7 超伝導体の特徴電子ペア電子常伝導体の中での電子の運動超伝導体の中での電子の運動 8 電子ペアのうごき陽イオン電子 9 Magnetic Fields Hall Sensor MI Sensor Fluxgate Sensor 100 femtotesla Courtesy of J. Clarke10 （Ｉ食品内異物検査） 11 高感度磁気センサ検出法の原理・残留磁気の計測ＳＱＵＩＤ磁気センサ永久磁石 S N ① 異物を測定前に帯磁させるベルトコンベヤ ② 磁気センサで計測特徴放射線を使わず安全高感度鉄球φ0.3mm 塩分、水分、アルミ包材の影響受けない 12 食品異物検査装置実用機 SQUIDs (内部) 磁気シールド (内部) タッチパネル磁石 (0.1T) ベルトコンベヤ PC 制御装置（内部） 13 （ＩＩ工業製品内異物検査） 14 工業用金属異物検査装置に向けてこれまでの実績0.5mm（ 500m ） → 50m 今回大きさは1／10 磁気信号  異物サイズ 3 信号は1／1000 高温超伝導ＳＱＵＩＤ → 超高感度化が必要磁気信号  ／（センサ - 異物間距離） 3 距離が 1 なら感度は1000倍向上→ 対応可能 10 15 感度に関する考察 0 0 0 1 0 0 1 r0=3 0 r0=5 0 1 r0=10 r0=50 実用的検出限界 S/N: >3 r0=94 シールド内ノイズレベル r0=70 距離 [mm] 15 pT 0 0 0 2 0 0 0 1 0 9 0 8 7 0 6 0 0 5 0 0 4 0 3 0 0 2 0 0 0 1 9 0 8 07 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 11 ＳＱＵＩＤ信号 [pTp-p] 0 0 0 0 1 0 mz 0 M 3 Bz  D  3 3 2r0 12 r0 センサと試料の距離を近づけると、もっと小さな100ミクロン以下の異物が検出可能！ 0.01 0.1 20m 鉄球サイズ D [mm] 1 (r0：センサ-異物間距離) 16 従来法の問題点 SQUID 磁気センサ磁石被検査物磁性金属異物 N S コンベヤ母材 Magnetic field [ pT ] 1500 母材からの信号 1000 500 磁性金属異物からの信号 0 -500 30 41 52 63 74 Time [sec] 85 96 17 新しい方式の提案 Contaminated industrial product Magnet SQUID gradiometer Horizontal magnetization SQUID Output (a) Signal from Matrix Signal from Contaminant (b) Time 18 グラジオメータの設計 Josephson Junctions Directly Coupled SQUID Gradiometer 50m Y1Ba2Cu3O7-x Inductance L = 60pH Pickup Loop 8mm 40m 6mm (a) (b) 19 開発した２ｃｈ異物検査装置外観 2層パーマロイ円筒磁気シールド 1350mm タッチパネル方式検査用コンベヤ永久磁石 2009 20 顕微鏡型2ｃｈクライオスタット 198mm Ch1 真空層 Ch2 液体窒素タンクサファイアロッド SQUID サファイア窓 10mm -3 10 Ch1 300/Hz1/2@100Hz 1/2 Flux noise [0/Hz ] 160mm 320mm 150mm -4 10 -5 10 Ch2 240/Hz1/2@100Hz -6 10 1 10 100 Frequency [Hz] 1k 21 Photograph of roll-to-roll Contaminant Detection System Ionizer Touch Panel & Display View Monitor SQUID Magnet Feeder Spool Winder 2013 22 Picture of Custom-designed 8-ch Cryostat 78 mm Gradiometer on Sapphire Rod View of the Vacuum window 23 View of Coated Cathode on the System Cathode Sheet of Li ion Battery Magnet Steel balls for test 24 Time Trace of Iron ball on Cathode Sheet Waveform onIron,Display 35m ch8 ch6 ch7 ch5 ch4 ch3 ch2 ch1 25 Measured Results of Iron Balls with Different Diameters Peak-to-peak values Time trace of the signals as a function of the diameter. 80 1000 Stand off : 3mm 82m 71m 60 40 56m 20 35m 0 -20 -40 -60 0.4 0.6 Time [s] Magnetic Flux [m  0 ] Magnetic flux [m0] 100 Stand off : 3mm 100 10 1 20 40 60 80 100 Diameter [m] 26 Distribution of the Sensitivity The diameter of the iron ball: 50 m Magnetic flux [m0] 35 ch1 ch2 ch3 ch4 30 ch5 ch6 ch8 ch7 25 SNR10 20 15 10 5 0 -40 70 mm -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Offset [mm] 27 （ＩI 医療応用） 28 大量の細胞の成長を短時間でモニタすることが重要！現状・微小多点電極（パッチクランプ）による活動電位変化を計測する方法 1.非常に時間と熟練が必要な作業（φ0.1umの針を深さ20-50umで止める） 2.電極を直接接触させないと測定できない 3.電極面上で細胞を培養する必要再生工学における検出装置として利用することは困難 1mm ・膜電位感応色素（色素プローブ）による方法 1.ラジカルの発生で信号不安定 2.細胞に色素を取り込ませるため再生工学試料には利用不可短時間で非接触、完全無侵襲な測定が求められている。→SQUIDによる磁気的な計測 29 測定の原理細胞活動（膜興奮など）には活動電位変化が伴う。細胞外細胞膜細胞内 Na+ Ca+ 培養ディッシュ K+ Ｖ培養細胞培養液活動電位計測磁気の発生はあるのか？ラット心筋細胞塊を用いたモデル実験 30 実験装置信号処理部サンプル - センサ間距離：2mm オシロスコープ細胞サンプルノートパソコン培養ディッシュ SQUID 制御装置フィルター LPF: 5kHz BEF: 60Hz レコーダー磁気センサ LN2 タンクスペクトルアナライザクライオスタット 31 ラット心筋サンプル動物：ウィスターラット(1- to 3-day-old Wister Rat) 心筋細胞片切り出し（0.5-1.0mm□ ｘ 50m t）培養（１２－１４日）・培養ディッシュ：φ38ｘ10ｔ（コラーゲンコート）・温度： 32℃ ・培地：HMEM, 血清, 抗生物質 2mL ・気層：空気吉田祥子先生と共同培養ディッシュ底部に自然定着光顕で確認ＳＱＵＩＤマグネトメータによる磁気計測 32 被測定物培養細胞魂 20mm 左：ラット心筋培養サンプル右：コントロールサンプル（ブランク） 33 計測中のサンプル 34 培養組織写真 0.5mm 35 高感度磁気センサによるラット心筋細胞塊拍動信号の検出 0.04 0.03 電圧［V］ 0.02 0.01 0.00 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 時間［s］コントロール（培養液のみ） 36 SQUID磁気センサによるラット心筋細胞塊拍動信号の検出 0.04 0.03 電圧［V］ 0.02 0.01 0.00 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 時間［s］ 37 SQUID磁気センサによるラット心筋細胞塊拍動信号（Tesla表記） Magnetic signal [ pT ] 1200 800 400 0 -400 -800 -1200 0 5 10 15 20 25 Time [s] 0.6秒周期 38 （ＩII NMR/MRI応用） 39 NMRの基礎 Nuclear Magnetic Resonance Protons Energy 下向き↓ 0= B0 上向き↑ B0 B0 z M 0 = 42.58 MHz/Tesla 0 =/2  Gyromagnetic ratio E = +pB 田中注釈 Magnetic moment (pB0 << kBT): E = -pB N   N  N p2 B0  M  N p N  N k BT B z z B0 B0 y x Equilibrium x B1 M RF pulse y y x M Precession • Time to return to thermal equilibrium is the longitudinal relaxation time T1 Courtesy of J. Clarke40 NMRの基礎・縦緩和時間 Longitudinal (spin-lattice) relaxation time T1 磁化が印加磁場方向に沿って平衡状態に戻る時間 B0 Mz z M0 M x M z   B0 (1  e  t / T1 ) 63% y 0 Time T1 ・横緩和時間 Transverse (spin-spin) relaxation time T2 ディフェイジング（位相の乱れ）によりスピンの総和が減少する時間 z MXY B0 M0 0 M XY  M XY e t / T2 y x M 37% 0 T2 Time 41 Relaxation Typical T1 and T2 Values（代表的なT1,T2値） Tissue（組織） T2 T1（0.5T） T1（1.5T） [msec] [msec] [msec] Fat（脂肪） 210 260 80 Liver（肝臓） 350 500 40 Muscle（筋肉） 550 870 45 White matter（白質） 500 780 90 Gray matter（灰白質） 650 900 100 CSF（脳脊髄液） 1800 2400 160 Bushberg. p.308 42 低磁場NMR プロトンの磁化が同じ、かつ同じ静磁場用コイルを用いた場合静磁場：高時間波形（FID信号） t t 100MHz ~ ~ 0 [Hz] 1kHz f 低周波数で感度の高いセンサが必要 ~ ~ スペクトル（NMR信号）静磁場：低 0 [Hz] f 低周波数で高感度なHTS-SQUIDを用いた超低磁場 NMR/MRIシステムを開発 43 低磁場NMR/MRIのメリット • 磁場の不均性 •20T（900MHｚ 1H）において1Hzの分解能を得るためには、～10-9の均一性が必要 Shimコイル、試料回転、等々、必要 •低磁場地磁気～50T（2kHｚ 1H）において1Hzの分解能を得るために～1/2000の均一性でよい • SQUID MEGとの同時計測が可能 • 歯科メタルインプラントや生検針があっても大丈夫 • 低周波ではT1緩和が強調される • 磁気遮蔽が簡単→低コスト化 44 HTS-rf-SQUID超低磁場MRIシステムシステム概略 X SQUIDエレクトロニクスヘッドアンプ液体窒素 Y Z SQUID SQUID リセット発振器メイントリガ遅延パルス発生器 Bp ゲートトリガ測定トリガ分極磁場スイッチング回路 Bp BG Bm 磁気シールドルーム磁場勾配調節器直流電源直流電源スペクトラムアナライザー NMRスペクトル←FID信号 45 HTS-rf-SQUID超低磁場MRIシステムシステム外観常温コイルの構成 x x y y z z HTS-rf-SQUID 勾配磁場コイル (dBZ/dx) 勾配磁場コイル (dBZ/dy) サンプル Gz 液体窒素 Bm Bp 静磁場コイル (Bm) 分極磁場コイル (Bp) 勾配磁場コイル (dBZ/dz) 46 水および鉱油の1H-NMR信号測定測定条件サンプル静磁場Bm： 44.9 T (1912 Hz) 市水鉱油 20m 20m 1H：多 1H：少 T1：長 T1：短分極磁場Bp : 36.8 mT 分極磁場印加時間： 0 ~ 10 s 勾配磁場：静磁場補償として適宜調節加算回数：20 ~ 30 回 Bm 0～10 s M 市水鉱油 M Bp 47 水および鉱油の1H-NMR信号の比較市水および鉱油の1H-NMRスペクトル(*磁場勾配なし) 1/2 Magnetic field [fT/Hz ] 1000 920 fT/Hz1/2 800 Mineral oil 600 Water 400 320 fT/Hz1/2 200 0 1875 1900 1912 1925 Frequency [Hz] 1950 分子構成比の違いを計測 48 水および鉱油の1H-NMR信号の比較 1/2 Signal amplitude [pT/Hz ] 市水および鉱油の縦緩和時間T1 Water 1 T1=3.4 s Mineral oil 0.1 T1=0.9 s 0 2 4 6 8 10 Polarizing time [s] 縦緩和時間T1の違いを計測 49 水ファントムの1次元MRIスペクトル測定測定条件市水を用いたファントム静磁場Bm： 44.9 T (1912 Hz) x 分極磁場Bp : 36.8 mT z 分極磁場印加時間： 5 s y 勾配磁場Gz： 0 ~ 20 nT/cm 58 mm 加算回数：20 ~ 30 回市水 (20 m) シリコーン板 27 mm 勾配磁場 B Bp B SQUID x z Bm f NMR信号 y z Gz z=1.5 cm 50 勾配磁場中における水ファントムの1次元MRIスペクトル 3 fL = Bm Gz=0 Gz=11.2 nT/cm 1/2 Magnetic field [fT/Hz ] 10 f =0.7 Hz 10 fL = Gzz 2 上式より、Gz=11.2 nT/cm、 z =1.5 cm、=42.6 MHz/T 1908 1910 1912 1914 1916 を代入するとf=0.72 Hz Frequency [Hz] x y z Gz Bm z =1.5 cm 1次元MRIスペクトルを計測 51 全体まとめ１．ＳＱＵＩＤの超高感度性 → 地磁気の10億分の1 ２．他では達成できない優れた感度を応用 →微小金属異物検査（食品、工業製品） →完全非侵襲細胞信号検出 →超低磁場NMR/MRI応用 52 おしまいご聴清聴ありがとうございました。 53