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2016 Fiscal Year Annual Research Report

複数の反応サイトを有するナノ・バイオ分子の反応動力学と原子分割エネルギー描像

Research Project

Project/Area Number 16H04091
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

河野 裕彦  東北大学, 理学研究科, 教授 (70178226)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小関 史朗  大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80252328)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywordsクーロン爆発 / DNA鎖切断 / 多電子ダイナミクス / 高次高調波発生 / 原子分割エネルギー / 自然軌道 / ヒドロキシルラジカル
Outline of Annual Research Achievements

高強度X線自由電子レーザー(XFEL)超短パルスによるナノ・バイオ分子のクーロン爆発の動力学シミュレーション法を開発し,5-ヨードウラシルなどヨウ素含有分子に適用した。実験で得られた解離イオンの運動エネルギー分布をほぼ再現することができ,このシミュレーションから,爆発によりイオンが放出されるイオンの順番と,同程度の質量であれば,イオンの持つ運動エネルギーに正の相関があることも明らかになった。さらに分子構造を反映するイオン間の角度相関の分布も再現でき,XFEL誘起の高速クーロン爆発を利用すれば分子イメージングが可能であることを理論的にも裏付けた。
また,分子の多電子ダイナミクスを理解することを目指し,電子相関を適切に取り込んだ多配置時間依存Hartree-Fock法を開発し,時間に依存する分子軌道(自然軌道)の一体描像を確立した。電荷に偏りがあるCOなどの異核2原子分子の近赤外パルスによるトンネルイオン化とそれに続く高次高調波発生がレーザー電場の符号にどのように依存するかを解明し,高次高調波を搬送波位相を使って制御する方法を見出した。とくに自然軌道が従う時間依存有効ポテンシャルを導出し,どの自然軌道のどの空間領域からイオン化が始まるかなどの情報が得られ,多電子ダイナミクスの理解を格段に進めることができた。
さらには, DNAの熱やOHラジカルによる鎖切断に対してSCC-DFTB法に基づいた反応動力学シミュレーションを行った。エネルギーや電荷の流れを解析し,鎖切断機構を解明した。真空中では,DNAの鎖切断の活性化エネルギーは1 eV程度と低く容易に進行するが,水環境下ではカウンターカチオンが水和されている限り鎖切断は起こりにくいことがわかった。2本鎖の同時切断は,熱では起こらず,2つ以上のOHラジカルが2本鎖の両側の糖から水素を引き抜く場合にだけ起こることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

XFEL誘起クーロン爆発の現状の動力学シミュレーション法では,原子核にかかる力を決める電子状態計算には膨大な数のトラジェクトリ計算に対処するため密度汎関数強束縛(SCC-DFTB)法を使っている。XFELにより起こる価数の上昇(内殻イオン化と引き続いて起こるオージェイオン化)は指数関数的,漸近的に最終電荷数となる逐次イオン化モデルを採用した。イオン化に伴う励起電子状態からの振動エネルギーへの緩和の効果は,電荷の変化時に各共有結合対の原子核に対し反跳(運動量保存則)を考慮した運動エネルギーを加えた。この分子の電荷・振動エネルギーの増加を考慮したXFEL誘起イオン化の現象論的動力学モデルによって,解離イオンの運動エネルギー分布や解離イオン間の角度相関などが定量的な議論ができるレベルで再現されている。
しかしながら,イオンの電荷分布に関しては実験結果とは完全に一致していない。また,解離イオン間の角度相関の分布も実験よりシャープなピークになっている。これらは現状のシミュレーション法が,基本的に基底電子状態しか扱えていないことによるためであり,現在大きな分子に適用可能な励起電子状態動力学法を開発している。これによって,どのくらい早く電子やエネルギーが分子の中を移動するかを評価できるようになる。すでに,小さな分子に適用してその有効性の検証を始めている。
DNA鎖切断に関しては,熱は1本の鎖しか切断せず,2本鎖同時切断は起こらず,2本鎖同時切断はOHラジカルのみによって引き起こされた。これは,Mathurらの最新の実験結果とも(A. K. Dharmadhikari et al., Phys. Rev. Lett. 112, 138105 (2014))とも一致した結果になっている。OHラジカルによる糖からの水素引き抜きから鎖切断が始まることが確認された。

Strategy for Future Research Activity

DNA鎖切断やXFEL誘起の超高速クーロン爆発の動力学シミュレーションの高精度化にはナノ・バイオ系に適用可能な励起電子状態動力学法が不可欠である。ポテンシャル面とその傾きだけで反発交差領域の非断熱遷移を記述する高速非断熱遷移計算法と励起状態計算用のTD-DFTB法を融合し,実験結果と比較しうる統計サンプリングが可能な励起状態ダイナミクスの手法を開発する。
まず,XFELによるイオン化に際して生成する励起電子状態間の遷移と緩和を取り込んだクーロン爆発のシミュレーションを行い,これまでの現象論的に運動エネルギーを注入するモデルとの違いを調べ,とくに,フラグメントの電荷分布が実験結果とどの程度一致するかなどを検証していく。これにより,さらに信頼性の高いクーロン爆発のシミュレーション法を確立し,実験に先んじてさまざまな分子に適用していく。XFELによる水クラスターのイオン化とOHラジカルの発生,そして励起状態を経由したDNA鎖切断などにも適用する。DNA鎖切断に関しては,水やカウンターカチオンをより多く取り込み,実験結果と比較できる現実的な系を対象にしていく。
また,C60 (OH)24のナノカーボンへの転換反応においては,多数のOH基とC60フラーレン骨格の間にどのようなエネルギー交換が起こるかを原子分割エネルギーを使って解析し,骨格解裂の協奏的な解離過程に対するOH基の役割を解明する。最終的には,C60骨格が解裂してグラフェンナノフレークが生成した後,会合して巨大フラーレンやナノチューブがどのように生成するかを調べるシミュレーションも行う。
多電子ダイナミクスの問題では,自然軌道が従う時間依存有効ポテンシャルの導出法を多原子分子にも適用できるように改良していく。時間依存密度汎関数法に基づいた電子ダイナミクスと比較し,多電子ダイナミクスの理解を深化させる。

  • Research Products

    (15 results)

All 2017 2016

All Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 2 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Selective bond breaking of CO2 in phase-locked two-color intense laser fields: laser field intensity dependence2017

    • Author(s)
      Tomoyuki Endo, Hikaru Fujise, Yuuna Kawachi, Ayaka Ishihara, Akitaka Matsuda, Mizuho Fushitani, Hirohiko Kono, and Akiyoshi Hishikawa
    • Journal Title

      Phys.Chem.Chem.Phys.

      Volume: 19 Pages: 3550-3556

    • DOI

      10.1039/c6cp07471e

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrafast Dynamics of a Nucleobase Analogue Illuminated by an Ultra-Short Intense X-ray Pulse of SACLA2017

    • Author(s)
      Kiyonobu Nagaya, Hirohiko Kono, Kiyoshi Ueda
    • Journal Title

      SPring-8/SACLA Research Frontiers

      Volume: - Pages: 印刷中

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] DNA 鎖切断の反応動力学シミュレーションとAVS/Express を用いた三次元可視化2017

    • Author(s)
      菱沼 直樹,及川 啓太,岡田 朝彦,菅野 学,山崎 馨,Wilfredo Credo Chung,齋藤 敦子,河野 裕彦
    • Journal Title

      東北大学サイバーサイエンスセンター 大規模科学計算システム広報(SENAC)

      Volume: 50 Pages: No.1, 3-12

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 結晶性分子マシンの光駆動回転シミュレーション2017

    • Author(s)
      菅野 学,河野 裕彦
    • Journal Title

      CSJカレントレビュー28 分子マシンの展開 ―分子の動きとその機能を見る―

      Volume: - Pages: 71-76

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fragmentation network of doubly charged methionine: Interpretation using graph theory2016

    • Author(s)
      D. T. Ha, K. Yamazaki, Y. Wang, M. Alcami, S. Maeda, H. Kono, F. Martin, and E. Kukk
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 145 Pages: 094302 1-9

    • DOI

      10.1063/1.4962061

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Ultrafast Dynamics of a Nucleobase Analogue Illuminated by a Short Intense X-ray Free Electron Laser Pulse2016

    • Author(s)
      K. Nagaya, K. Motomura, E. Kukk, H. Fukuzawa, S. Wada, T. Tachibana, Y. Ito, S. Mondal, T. Sakai, K. Matsunami, R. Koga, S. Ohmura, Y. Takahashi, M. Kanno, A. Rudenko, C. Nicolas, X.-J. Liu, Y. Zhang, J. Chen, M. Anand, Y. H. Jiang, D.-E. Kim, K. Tono, M. Yabashi, H. Kono, C. Miron, M. Yao, and K. Ueda
    • Journal Title

      Phys. Rev. X

      Volume: 6 Pages: 021035 1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevX.6.021035

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Femtosecond Charge and Molecular Dynamics of I-containing organic molecules Induced by Intense X-Ray Free-Electron Laser Pulses2016

    • Author(s)
      K.Nagaya, K.Motomura, E.Kukk, Y.Takahashi, K.Yamazaki, S.Ohmura, H.Fukuzawa, S.Wada, S.Mondal, T.Tachibana, Y.Ito, R.Koga, T.Sakai, K.Matsunami, K.Nakamura, M.Kanno, A.Rudenko, C.Nicolas, X-J.Liu, C.Miron, Y.Zhang, Y.Jiang, J.Chen, M.Anand, D.E.Kim, K.Tono, M.Yabashi, M.Yao, H.Kono, K.Ueda
    • Journal Title

      Faraday Discussions

      Volume: 194 Pages: 537-562

    • DOI

      10.1039/C6FD00085A

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Stark Spectroscopy of Absorption and Emission of Indoline Sensitizers: A Correlation with the Performance of Photovoltaic Cells2016

    • Author(s)
      N. Ohta, K. Awasthi, K. Okoshi, K. Manseki, H. Miura, Y. Inoue, K. Nakamura, H. Kono, and E W-G Diau
    • Journal Title

      J. Chem. Phys. C

      Volume: 120 Pages: 26206-26216

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.6b08531

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 化学反応の行き先を変える"スイッチ"― エネルギーの上昇で反応経路が切り替わる新現象2016

    • Author(s)
      寺本 央,戸田 幹人,河野 裕彦,髙橋 正彦,小松﨑 民樹
    • Journal Title

      化学

      Volume: 71 Pages: No.5, 25-30

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] ナノカーボンの転移・解離反応の動力学理論:ナノ分子・生体分子の反応動力学イメージングを目指して2016

    • Author(s)
      河野 裕彦,山崎 馨,菅野 学
    • Journal Title

      自然科学研究機構自然科学研究センター計算科学研究センターレポート

      Volume: 16 Pages: 191-194

  • [Presentation] Molecules in intense laser fields II: Toward observation of the dynamics of molecules in intense laser fields2016

    • Author(s)
      Hirohiko Kono
    • Organizer
      International Symposium on Ultrafast Intense Laser Science 15
    • Place of Presentation
      Cassis, France
    • Year and Date
      2016-10-06 – 2016-10-06
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] DNAの鎖切断:反応動力学と電子論2016

    • Author(s)
      河野 裕彦
    • Organizer
      化学反応経路探索のニューフロンティア(SRPS2016)
    • Place of Presentation
      京都教育文化センター,京都市
    • Year and Date
      2016-09-12 – 2016-09-12
    • Invited
  • [Presentation] Femtosecond Charge and Molecular Dynamics of I-containing organic molecules Induced by Intense X-Ray Free-Electron Laser Pulses2016

    • Author(s)
      K.Ueda, K.Nagaya, K.Motomura, E.Kukk, Y.Takahashi, K.Yamazaki, S.Ohmura, H.Fukuzawa, S.Wada, S.Mondal, T.Tachibana, Y.Ito, R.Koga, T.Sakai, K.Matsunami, K.Nakamura, M.Kanno, A.Rudenko, C.Nicolas, X.-J.Liu, C.Miron, Y.Zhang, Y.Jiang, J.Chen, M.Anand, D.E.Kim, K.Tono, M.Yabashi, M.Yao, H.Kono
    • Organizer
      Ultrafast Imaging of Photochemical Dynamics: Faraday Discussion
    • Place of Presentation
      Edinburgh, United Kingdom
    • Year and Date
      2016-09-01 – 2016-09-01
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Simulation of XFEL-induced Coulomb explosion: Momentum correlations and energy distributions of fragment ions of multiply charged 5-iodouracil2016

    • Author(s)
      Y. Takahashi, M. Kanno, N. Hishinuma, K. Nakamura, K. Nagaya, H. Fukuzawa, S. Ohmura, K. Ueda, H. Kono
    • Organizer
      第 32 回化学反応討論会
    • Place of Presentation
      大宮ソニックシティ,さいたま市
    • Year and Date
      2016-06-01 – 2016-06-01
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Reaction dynamics simulation of DNA strand breaks:Analysis based on atom resolved energy and charge2016

    • Author(s)
      Hirohiko Kono, Naoki Hishinuma, Keita Oikawa, Kazuki Ishimoda, Manabu Kanno, Yasushi Kino, Kimio Akiyama
    • Organizer
      Molecules and Laser Fields - An Honorary Andre Bandrauk Symposium
    • Place of Presentation
      Orford, Canada
    • Year and Date
      2016-05-05 – 2016-05-05
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2018-01-16  

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