発動分子の機能発現過程における1分子・多分子ダイナミクス計測法の開発

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 19H05402
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kanagawa University (2020); Osaka City University (2019)
• Principal Investigator: 東海林 竜也 神奈川大学, 理学部, 准教授 (90701699)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 光ピンセット / 顕微分光 / 光圧 / 力計測 / NASSCA光ピンセット / 局在表面プラズモン / 有限要素法 / ナノ粒子 / DNA / 顕微分光法 / 半導体ナノ構造 / 顕微分光分析 / 応力計測

Outline of Research at the Start

本申請課題では、集合・離散・配向過程中の発動分子に作用する力学的運動を精密計測することを目指す。独自の光の応力計測システムを開発し、発動分子が機能を発現するまでの集合・離散・配向過程中の運動を計測し、機構解明を目指す。そのために申請者らが開発した次世代型光ピンセットを発展させ、（１）微粒子修飾フリーで、（２）発動分子にのみ増強光電場（増強光圧）を作用させ、（３）単分子だけでなく多分子での計測を可能にし、力学的運動を精密計測する手法を開発する。このように光圧を発動分子に適用できれば、力学的運動の計測だけでなく、さらに光圧がトリガーとして働く新たな発動分子を創製することが期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、外部刺激に伴う発動分子の集合・離散・配向分子運動を、光の力学作用である光圧により精密計測する技術を開発する。しかしながら、従来の集光レーザー型光ピンセットをそのまま分子系に適用させても、作用する光圧が微弱なため運動追跡は極めて困難である。そこで本研究では、プラズモン光ピンセットまたは研究代表者らが開発したノンプラズモニック増強光ピンセットを光ファイバ先端で利用し、発動分子に直接光圧を作用させ力学的運動の単分子または多分子計測を目指す。
2020年度から研究室を主宰することになった代表者は、光ピンセット・顕微分光計測システムを新たに構築した。構築したシステムにより溶液中に浮遊するナノ粒子の光捕捉に成功した。このような従来型の集光レーザー型光ピンセットに加え、光ファイバの先端でナノ粒子を捕まえるファイバ光ピンセットの開発にも取り組んだ。ファイバ先端上に入射光を増幅するナノ構造体を付与することで、発動分子一粒に作用する光圧を計測する。このとき使用するナノ構造体は、プラズモンナノ構造体（プラズモン光ピンセット）または半導体ナノ構造体（NASSCA光ピンセット）を使用する。代表者らが開発したNASSCA光ピンセットを用いると、溶液中の高分子微粒子を一度に大量に捕捉できることを見出した。さらに増強光圧を定量的に解析すべく、有限要素法による電磁場シミュレーションのシステムを新たに構築した。以上の成果をもとに、光ファイバ上に作製するナノ構造体の設計指針を電磁場計算により得ることができた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Formation of Single Double-Layered Coacervate of Poly(N,N-diethylacrylamide) in Water by a Laser Tweezer (2021)
  • Author(s): Matsumoto Mitsuhiro、Asoh Taka-Aki、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: Langmuir Volume: 37 Issue: 9 Pages: 2874-2883
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c03009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermo-Plasmonic Trapping of Living Cyanobacteria on a Gold Nanopyramidal Dimer Array: Implications for Plasmonic Biochips (2020)
  • Author(s): Naka Shota、Shoji Tatsuya、Fujii Sho、Ueno Kosei、Wakisaka Yumi、Murakoshi Kei、Mizoguchi Tadashi、Tamiaki Hitoshi、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 3 Issue: 10 Pages: 10067-10072
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02071
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanostructure-assisted optical tweezers for microspectroscopic polymer analysis (2020)
  • Author(s): Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 53 Issue: 2 Pages: 271-281
  • DOI: 10.1038/s41428-020-00410-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical Trapping of Polystyrene Nanoparticles on Black Silicon: Implications for Trapping and Studying Bacteria and Viruses (2020)
  • Author(s): Komoto Sawa、Nagai Tatsuya、Takao Ryota、Ushiro Kenta、Matsumoto Mitsuhiro、Shoji Tatsuya、Linklater Denver P.、Juodkazis Saulius、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 3 Issue: 10 Pages: 9831-9841
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c01901
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microanalysis of Single Poly(N-isopropylacrylamide) Droplet Produced by an Optical Tweezer in Water: Isotacticity Dependence of Growth and Chemical Structure of the Droplet (2020)
  • Author(s): Ushiro Kenta、Shoji Tatsuya、Matsumoto Mitsuhiro、Asoh Taka-Aki、Horibe Hideo、Katsumoto Yukiteru、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 38 Pages: 8454-8463
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c06932
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plasmonic Manipulation of DNA using a Combination of Optical and Thermophoretic Forces: Separation of Different-Sized DNA from Mixture Solution (2020)
  • Author(s): Shoji Tatsuya、Itoh Kenta、Saitoh Junki、Kitamura Noboru、Yoshii Takahiro、Murakoshi Kei、Yamada Yuto、Yokoyama Tomohiro、Ishihara Hajime、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 3349-3349
  • DOI: 10.1038/s41598-020-60165-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nanotraffic Lights: Rayleigh Scattering Microspectroscopy of Optically Trapped Octahedral Gold Nanoparticles (2019)
  • Author(s): Shoji Tatsuya、Tamura Mamoru、Kameyama Tatsuya、Iida Takuya、Tsuboi Yasuyuki、Torimoto Tsukasa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 123 Issue: 37 Pages: 23096-23102
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b05077
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Regular Assembly of Polymer Nanoparticles by Optical Trapping Enhanced with a Random Array of Si Needles for Reconfigurable Photonic Crystals in Liquid (2019)
  • Author(s): Hanasaki Itsuo、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 2 Issue: 12 Pages: 7637-7643
  • DOI: 10.1021/acsanm.9b01707
  • NAID: 120006953138
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Nanostructure-assisted optical tweezers for soft matter manipulation (2020)
  • Author(s): Tatsuya SHOJI
  • Organizer: 第58回 日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] ナノ構造体を用いたナノ物質光マニピュレーション法の開発 (2020)
  • Author(s): 東海林 竜也
  • Organizer: 第32回 散乱研究会
  • Invited
• [Presentation] プラズモン光捕捉したポリ(N,N-ジエチルアクリルアミド)による分子濃縮・検出法の開発 (2020)
  • Author(s): 東海林 竜也, 松本 充央, 坪井 泰之
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] Plasmonic optical trapping of soft nanomaterials for analytical chemistry (2019)
  • Author(s): Tatsuya Shoji
  • Organizer: The 3rd International Workshop on Optofluidics and Electrokinetics in Micro and Nanoscale Devices
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Trapping of Pyrene-labelled Hydrophilic Polymer Chains dissolved in Water by NASSCA Optical Tweezers (2019)
  • Author(s): Kenta Ushiro, Tatsuya Shoji, Taka-Aki Asoh, Yasuyuki Tsuboi
  • Organizer: OKINAWA COLLOIDS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Micro-assembly formation of soft nanomatters based on nanostructure-assisted optical tweezers (2019)
  • Author(s): Tatsuya Shoji
  • Organizer: Fifteenth International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments (SNCPP19)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Real-time monitoring of a reagent release from an optically trapped biodegradable micro-particle for drug delivery (2019)
  • Author(s): Miyako Iida, Tatsuya Shoji, Kayo Fujiwara, Mitsuhiro Matsumoto, Yasuyuki Tsuboi
  • Organizer: The 6th Optical Manipulation and Structured Materials Conference (OMC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズモン光ピンセットによるDNAの選択的光捕捉 (2019)
  • Author(s): 東海林 竜也
  • Organizer: 第153回微小光学研究会
  • Invited
• [Presentation] ナノ構造を利用した光ピンセットの分析化学応用 (2019)
  • Author(s): 東海林 竜也
  • Organizer: 2019年光化学討論会
  • Invited
• [Presentation] 光ピンセットを駆使した機能性ナノ材料の顕微分光分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 東海林 竜也
  • Organizer: 超スマート社会の構築に繋がる革新的材料創出に向けた光・量子ビーム応用技術調査専門委員会 第２回委員会
  • Invited
• [Remarks] 東海林研究室
  • URL: https://tshoji.com/