2016 Fiscal Year Research-status Report
気相および溶液中における重イオンビームと生体分子の反応初期過程の比較
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16K05015
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
間嶋 拓也 京都大学, 工学研究科, 助教 (50515038)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 高速重イオン / 微小液滴 / 質量分析 / 多重電離 / 分子解離 / 生体分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液滴生成手法の高度化のため，新たに超音波霧化装置を導入した．霧化部およびそれに接続されるガスラインを全て閉鎖系とし，バッファガスの種類や流量，圧力の制御を可能とした．これらの条件を最適化し，液滴サイズの微小化と生成量の増強および安定化を図った．これにより検出感度の向上に成功し，イオン衝突に伴うごく微量の生成物イオンの検出が可能となった．例として，エタノール液滴からの二次イオンの質量分析測定を行い，ラジカル間の反応生成物を含む，重イオン衝突特有の各種の複雑な生成物イオンの存在を明らかにした．
衝突領域に導入した液滴のサイズは，高速重イオンが液滴内を透過した際のエネルギー損失量から，およそ直径数100 nm程度であることが分かった．さらに光学的な測定によって相補的な情報を得るために，レーザー回折実験システムを導入した．シミュレーション計算で再現したミー散乱分布との比較から液滴サイズを評価し，イオンビームによる結果と矛盾しないことを確認した．
液滴導入部の開発が予定より早く進展したため，試験的に，グリシン分子を溶解させた水液滴標的に対する実験を行った．グリシン由来の解離反応生成物を十分に感度よく観測できることを確認した．また連携研究者が進めている液体分子線を用いた実験でも，SN比に改善の余地はあるものの，グリシンおよびプロリンを溶解させた標的からの生成物イオンの質量分析に成功した．
溶媒効果を調べるための基礎となる知見として，気相の孤立プロリン分子からの解離生成物の分析を行った．上記の液体分子線での測定結果との比較から，水溶液環境では溶媒の存在による特異な解離生成物の生成を示唆する結果が得られた．さらに溶媒自身の特性を調べるため，水などの蒸気圧の高い液体試料から孤立分子標的を導入するシステムを構築した．これまでに，水分子に対する測定を行い，蓄積したデータの解析を順次進めている．
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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
液滴生成部の高度化は予定通りほぼ完成した．光学的なサイズ測定システムについても，平均サイズの評価に適用可能であることが確認できた．ただし，サイズ分布の導出には限界があることも分かった．液滴導入部の開発が計画より早く進んだため，二次イオン質量分析における測定条件の最適化やいくつかの試験的な測定にも時間を割くことができた．適度に複雑な反応生成物イオンの放出が期待されるアルコール液滴に対して系統的な実験データを得ることができ，プロトン移動が関与する生成機構に関して考察を深めた．さらに，次年度以降に予定していた，生体分子を溶解させた水液滴標的に対する測定も試験的に行い，感度が十分であることが確認できた．液体分子線を用いた実験についても予定通り進み，生成イオンの質量スペクトルを取得できた．
気相分子を用いた実験においては，検出器の高性能化とそれに合わせた分析システムの改造を行う予定であったが，液滴および液体分子線の実験が予定よりも早く進展し，それと比較するためのデータ取得を優先するため，まずは既存システムでの測定を行った．プロリン分子に対する測定を行い，溶媒分子の効果についての知見を得た．また，液体試料の分子を気相孤立標的として用いるためのシステムについても，予定通り構築を完了した．
一部の開発手順を変更したことにより，計画以上に進展した部分と，次年度以降に延期した部分があるが，全体の進捗としてはおおむね順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
液滴生成部の基本的なシステムの構築は完了しているが，更なる制御の試みとして，バッファガスの温度制御システムの導入を行い，液滴の温度もしくはサイズに対する影響を調べる．また，レーザー回折測定システムを発展させ，固液相状態の判別のための光学測定手法の確立を目指す．アミノ酸や核酸塩基分子を溶解させた水液滴に対する測定を系統的に進め，正負の生成物イオンの質量分析を行う．これにより，これまで知られていないような，生体分子と溶媒分子の反応に起因する重イオン衝突特有の新奇な生成物イオンの検知を目指す．
孤立気相分子に対する実験では，前年度に取得した孤立水分子に対するデータの解析を進め，多重電離に依存した分解ダイナミクスについて明らかにする．また，実験装置の改造として，イオン検出器の更新を進める．それに合わせて，分析管の改良を行うために，イオン軌道シミュレーションに基づいた分析管の設計・製作を行う．孤立した気相のアミノ酸や核酸塩基分子標的に対する測定を進め，生成物イオン種を液滴実験の結果と比較し，溶媒効果についての知見を得る．さらに，衝突毎の放出電子個数および運動量画像分光の多重同時測定から，多重電離状態に依存した解離ダイナミクスの解明を行う．
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| Causes of Carryover |
当初の計画では，孤立気相分子に対する測定の高度化を行うために，まず検出器の高性能化とそれに合わせた分析システムの改造を行う予定であった．しかし，もう一方の実験である，液滴および液体分子線を用いた実験が予定よりも早く進展したため，その考察を進めるに当たって重要な比較対象となる，気相分子に対する単純な二次イオン質量スペクトルのデータ取得を優先し，既存システムでの測定を進めた．そのため，当初に計画していた装置の改良を次年度以降に延期した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
検出器の更新を行い，それに合わせて運動量画像分光測定のための分析管の改造を行う．改造にあたっては，イオン軌道シミュレーションによって最適な電極構造や配置を決定し，分析管の設計を行う．設計した分析管の部品製作を専門の真空部品加工業者に依頼し，組み上げ，既存システムとの置き換えを行う．
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[Journal Article] Structure Determination of Molecules in an Alignment Laser Field by Femtosecond Photoelectron Diffraction Using an X-ray Free-Electron Laser2016
Author(s)
S. Minemoto, T. Teramoto, H. Akagi, T. Fujikawa, T. Majima, K. Nakajima, K. Niki, S. Owada, H. Sakai, T. Togashi, K. Tono, S. Tsuru, K. Wada, M. Yabashi, S. Yoshida, and A. Yagishita
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 6
Pages: 38654
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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