先端計測装置開発のモチベーション
ー計測装置の行動への影響と超伝導を使って取得できる新たなデーター

大久保雅隆
産業技術総合研究所 つくばイノベーション推進本部/ナノエレクトロニクス研究部門
上席イノベーションコーディネータ

筑波山、平沢官衛遺跡

シアノバクテリアの走光性
l 光合成 → O2 20%l 光合成に有利な環境 → 走光性flavinl 青色光受容体タンパク質• PixD(17.6 kDa)が環状に5量体を形成し、それが2つ重なった10量体の高分子。
• PixE(43.7 kDa)がこのオリゴマー形成を助長。
• 暗順応でPixD10-PixE5という395kDaの巨大な複合体を形成。
H. Yuan and C. Bauer, PNAS 105, 11715 (2008).

• 光子吸収で、10量体 → PixE + PixDの2量体。

l 光子吸収でダイナミックに変化する光受容体
タンパク質を獲得したシアノバクテリアが生き残ってきた。

田中啓介他、分子科学討論会2008福岡

青色光受容体タンパク質

人類の視覚• 明暗•色
• 立体視
• エッジ強調• ハチ• 季節• 自然の息吹

計測分析技術の進化(機器, 手法, 知識)

計測技術→分析技術→課題解決
蜂の形（蜂、近い）→知識
逃げろ！

針、刺す、痛い機器

rhodopsin

桿体細胞

手法
120µm

光子

錐体の視物質の種類
多くの女性：４
男性：３

意識は我々の行動を制御していないかもしれない！
センサー感度の重要性

先端計測 ?

網膜内
ロドプシン
(桿体)
アナログアンプ（1mV/光子）

神経節細胞
A/D変換
有髄神経
電気スパイクの数に変換

0.3K – 室温
made

超伝導体

FPGA

ジョセフソン効果（トンネル効果） (1962)

2Δ = ~meV

2Δ

Si substrate

SiNb
Nb

    STJ  2Δ



超伝導を応用した計測分析機器
TESMKIDMMCTESSQUID
X-ray satteliteSTJ

Sub-mm astronomy

Magnetoencephalography (MEG)
Magnetocardiography (MCG)

TESSTJ
Synchrotron radiation
X-ray absorption spectroscopy

SQUID
Metal contamination test

μ calorimeter
X-ray material analysis

AFD http://www.aftweb.co.jp/index.html

Star http://www.starcryo.com/microcal_eds.htm
SII http://www.sii.co.jp/info/eg/mems4.html

質量分析装置(TOF-MS)
UV-laserHigh Voltage
Microchannel plate
or Electron multiplier

V =3-30 kVtGroundl⎛ m ⎞1/ 2⎛ MW ⎞1/ 2−6t = l/v = l ⎜⎟ = 71.987e l ⎜⎟⎝ 2zeV ⎠⎝ zV ⎠tm=Δm 2Δt

m : mass, z : charge number

1 ns for m/Δm =10,000 (a peptide, Angiotensin I)

粒子の検出方法
IgG~ keV

Electronmultiplication

2 km/sHigh energy ions
~ MeV
16,000 km/s

One secondary
electronSound (phonon)
Atomic displacement
Electron hole pairs

Ion
detector

M. Ohkubo, et al., IEEE Trans. Appl. Super., 24(4), 2014; doi:10.1109/TASC.2014.2318316

Density of states

超伝導体と半導体の比較
DOS of electrons
DOS ofphonons

gap

SiNb
DOS of quasielectrons

M. Ohkubo,IEICE Trans. Electro.
E90C, 550 (2007)

gap
2Δ=3.1 meVEg=1.12 eV

Debye energy(εD)=24 meV (Nb), 56 meV (Si)

Energy(ε)

E (~meV)   2Δ=~meV



EF

NbCooperpairSi   Nb
Si substrate

STJ

質量分析の２つの限界

EI 70V

14N 2+, 14N+ (m/z=14)216O 2+, 16O+ (m/z=16)2m/z
MS is a method to measure mass/charge (m/z) ratios of ions.
(Unified atomic mass / charge number)• 1st limitation: z is always speculative. m/z spectrometry?
• 2nd limitation: Neutral atoms or molecules cannot be analyze.

m/z overlap and neutral loss

準粒子トンネリング

Subgap current [A/cm2]

STJ detector physics•Uncovered Nb electrode•Large junction (100 - 200 µm)•Extremely low leakage current

normal quality

BCS

detector quality

1/T [K]

m/z と運動エネルギー測定

2+
Start trigger+

m/z ‒ 運動エネルギープロット

m/z=14m/z=16

EI 70Vm/z

Ion count

S. Shiki, et al., J. Mass Spectrom. 43, 1686 (2008).

等核2原子分子の2価イオン分離成功への反応

JASMS

JMS
S. Shiki, et al., J. Mass Spectrom. 43, 1686 (2008).

Kinetic energy

N+1+2+Kinetic energy

N22+惑星からの大気放出
KER in dissociation processes of doublycharged ions may produce ions withenergies over escape threshold values.

Evolution of planets relates tochemical processes in Earth, Mars,Venus, Titan, and Io
R. Thissen, et al., PCCP 13, 18264 (2011).

ionization energies++N 2+→
N+N( μs − 3s)22+
N 2++ N ( μs − 3s)
2 →N

There is no report for N22+ detection
in ionospheres.

生命の起源としての星間有機分子⎧ ABA + * (< life time)⎪+⎪ AB + A⎪
ABA + +N →ABA + * +N →⎨ AB + A +⎪ +⎪ A +B + A⎪⎩...

⎧ ABA * (< life time)⎪⎪ AB + A
ABA + + N → ABA *+ N+ → ⎨⎪ A +B + A⎪⎩ AA +B

Collisionaly Activated Dissociation (CAD)

Electron Transfer Dissociation (ETD)• Neutral fragments are lost, which is called “neutral loss.”
Distinctive prebiotic molecules were found in the Sagittarius B2 at the center of our Milky Way.
Dissociative ion-electron
Recombination (DR)acetic acid,formic acid,
acetone,ethyl
cyanide,methylformate

CH3COOH
HCOOH
CH3COCH3CH3CH2CN

Tandem MS experiment for ionic and neutral fragments

MS-II: E = E + E + E
1E = 3 keV+Xe2

E = E1 + E2 + E3E+Cryostat(0.3 K)

+ E1
E2
E3

collisionaly activation
or electron transfer+E2

E3

E3
E1

Electrostaticsector

Ion deflector+++ −+ion source
(3 keV, EI)

3E

E3

Collision chamber
(CAD, ETD)
Xe

MS-I
Magnetic sector

Reaction branching ratios of acetone (CH3COCH3)
Acetone precursor(CH3)2CORaw data

Molecule counts

ion + neutral
Neutral onlyPrecursor events subtractedE+E = E1 + E2 + E3eXe
ETD or CADE

E1
CH3COCOCH3E2
E3

• (CH3)2CO +•(A) → CH3CO+ + CH3• (CAD)

70%• (CH3)2CO (A) → CH3CO• + CH3• (ETD)

10%• (CH3)2CO (A) → CH3• + CH3• + CO (ETD)

20%

Kinetic energy [keV]
M. Ohkubo, et al., Int. J. Mass Spectrom. 299, 94 (2011).

まとめ• 見るということは、ハード、手法、知識を含む。
• 我々が人工で作る機能は、我々の身体の機能を外に出しただけである！
• 科学と技術による急激な進化! 見えないものを見えるようにしましょう。
• 我々の意識は、我々の行動を制御していないかもしれない。
• 検出器の性能が我々の行動を決めている？