Single molecule fluorescence measurement in the nanosecond time scale using the accelerated fluorescence emission rate exhibited by microdroplets
| Project/Area Number |
22K19011
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 32:Physical chemistry, functional solid state chemistry, and related fields
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University |
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Principal Investigator |
迫田 憲治 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (80346767)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
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| Keywords | 微小液滴 / 蛍光測定 |
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| Outline of Research at the Start |
蛍光一分子測定は，生体高分子の構造変化を「その場」観測できる強力な手法であり，これまでにも生体高分子などの構造変化が蛍光励起エネルギー移動（FRET）を利用して調べられてきた。しかしながら，その時間分解能はマイクロ秒程度に留まっている。本課題では，我々が独自に開発を進めてきたイオントラップを利用することで，単一微小液滴を大気中で安定に空間捕捉する。この微小液滴に溶存した分子が示す蛍光放出速度の加速を利用することで高感度蛍光測定を実現し，FRETを含む蛍光測定の時間分解能の向上を目指す。これにより，生体高分子の構造変化や構造ゆらぎを高い時空間分解能で観測する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，我々が独自に開発した単一微小液滴捕捉・レーザー顕微分光装置を用いている．この装置では液滴を捕捉するためにイオントラップの一種であるエンドキャップトラップを用いている．微小液滴に溶存した分子の振る舞いを詳細に調べるには，液滴を長時間にわたり安定に空間捕捉する必要がある．しかしながら，液滴周囲の温度および湿度を管理していない状況では，液滴を構成する溶媒分子が徐々に蒸発していくため，液滴を空間捕捉する時間には限界がある．本研究を遂行するためには，長時間にわたる液滴の安定な捕捉を実現することが必須であることが判明したため，これを実現するための装置開発を行った．
液滴からの溶媒の蒸発を抑えるには，液滴周囲の温度を低く保つことが有効である．そこで液滴を捕捉するために用いているイオントラップを周囲を覆う冷却断熱チャンバーを開発した．この断熱チャンバーでは，銅で構成されている本体の隙間に恒温槽で温度制御された冷却媒質を流すことでチャンバー全体を冷却している．以前に報告されている同様のチャンバーと比べて，内部空間の体積を65 %縮小し，冷却可能面積を４倍以上に拡大している．その結果，チャンバー内部を最大で-10 ℃まで冷却することに成功している.この冷却断熱チャンバーをイオントラップに組み込み，実際に単一微小液滴を捕捉した際の液滴径の時間変化を評価したところ，チャンバー内温度が-8 ℃以下では、液滴からの溶媒の蒸発がほとんど無視できることがわかった．これにより，既存の装置と比べて著しく長い時間，単一微小液滴を安定に空間捕捉できることを実証した．また，この装置を開発したことで，液滴の直径を保ったままで，液滴に溶存した色素分子からの蛍光寿命測定が可能となった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究開始当初は，現有の冷却断熱チャンバーを用いれば，微小液滴に溶存した色素分子からの蛍光寿命を測定できると見込んでいた．実際に実験を行うと蛍光寿命自体は測定できるが，液滴径の経時変化が大きく，このままでは定量的な議論を行う上で支障があると判断し，新たな冷却断熱チャンバーの製作と性能評価に踏み切った．いくつかの技術的困難はあったが，比較的順調に新たなチャンバーを装置に組み込むことができている．また本研究で必要となる，微小液滴に溶存した色素分子からの蛍光寿命測定のための光学系の構築に関しても順調に進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに単一微小液滴を長時間にわたり安定に空間捕捉することに成功し，色素分子からの蛍光寿命測定についても予備的な結果が得られている．今後は，空間捕捉した微小液滴の液滴径を変化させた際の色素分子からの蛍光寿命を系統的に調査する．これを行うことによって，液滴に溶存した色素分子の蛍光寿命が，液滴径にどのように依存するのか（蛍光寿命の増大に閾値のようなものは存在するのか）について考察する．また，液滴を用いて行った実験結果を，バルク溶液における色素分子の蛍光スペクトルおよび蛍光寿命と比較することによって，微小液滴を用いた際に実現が見込まれる蛍光計測の高感度化について原理検証および定量的な実験データの蓄積を行う．
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
