2018 Fiscal Year Research-status Report
Pathfinding water-surface molecular science: Development of deep-ultraviolet laser-excitation confocal microscope for observing hemihydrate clusters
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17K19141
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
原田 明 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (90222231)
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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 共焦点レーザー分光顕微鏡 / 深紫外励起 / 紫外可視蛍光スペクトル / 偏光 / 水面 / クラスター / 多環芳香族 / 水面分子科学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
深紫外励起・紫外可視蛍光スペクトルの偏光面選択的な観測が可能な共焦点レーザー分光顕微鏡を開発する。水面に吸着した極微量（被覆率～10のマイナス6乗）の小分子量（<200）芳香族化合物を主要なターゲットとして、水面上でのクラスター形成が一般的であることを実験的に検証しつつ、クラスターの動的挙動を解析する。装置開発の目標として、最も単純な芳香族化合物であるベンゼンとその誘導体を、水面に吸着した状態で単一分子検出レベルの感度で観測対象とできることを目指す。主な観測対象は多環芳香化合物とする。測定対象化学種の官能基にもよるが、これらの化学種が水面吸着した状態にあるとき、バルク中にある時とは異なって完全に水和しきっていない状態（半水和状態と呼ぶ）にあると考えられる。水面分子のダイナミクスを分子論的に理解するための、また、水面化学反応挙動を理解するための新規実験手法を確立する。また、実験データに基づき、水面分子科学とでもいうべき新研究分野の開拓を図る。
次3つを柱として研究を遂行し、成果は逐次発表する。(Ⅰ) 偏向面選択的深紫外励起・紫外可視蛍光観測共焦点レーザー顕微鏡開発。(Ⅱ) 希薄水面吸着分子系でのクラスターの正・逆成長や水面内移動挙動の解析。(Ⅲ) 各種芳香族化合物の水面クラスターの動的挙動の特徴付け。
3年計画の研究の第2年度である本年度は、昨年度試作した偏向面選択的深紫外励起・紫外可視蛍光観測共焦点レーザー顕微鏡に改良を加えつつ、蛍光スペクトルの補正方法の検討も含め、水面吸着分子の蛍光スペクトル観測を進めた。ビフェニルとナフタレンを観測対象として扱い、予備的データではあるものの、水面散布後の経時変化、z-偏光子（4分割半波長板）による偏光制御に伴うスペクトル変化、水面とバスク水中での蛍光スペクロル変化等を観測に成功している。
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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
本年度は、昨年度に試作した偏向面選択的深紫外励起・紫外可視蛍光観測共焦点レーザー顕微鏡に改良を加えつつ、(Ⅱ) 希薄水面吸着分子系でのクラスターの正・逆成長や水面内移動挙動の解析を進めるべく、装置性能の検討を進めると共に、蛍光スペクトルの補正方法の検討も含め、水面吸着分子の蛍光スペクトル観測を進めた。ビフェニルとナフタレンを観測対象として扱い、これまでに報告例の無い観測結果を得ている。予備的データではあるものの、水面散布後の経時変化、z-偏光子（4分割半波長板）による偏光制御に伴うスペクトル変化、水面とバスク水中での蛍光スペクロル変化等の観測に成功した。なお、当初計画ではベンセンとその誘導体を主な観測対象とする予定であったが、目的を損なうこと無く、より高感度観測が可能な化学種として前述の2つを選んでデータ収集を進めている。実験結果に予想外の点が多いため追実験による確認が必要と判断し、研究会発表は見合わせた。
装置的には、深紫外波長可変レーザー光源の利用では、Ti：サファイアレーザーの第3高調波が適切な励起光源であり、保守経費が必要となる以外には問題は無い。紫外対物レンズ、z-偏光子も所定の性能を有していると判断された。しかしながら、ナフタレンについては表面過剰量が大きくないため、より焦点深度の浅い高開口数の対物レンズを用いることが必要と判断し、反射対物レンズ利用の検討を始めた。また、z-偏光子の利用で、液面に垂直な遷移モーメントを持つ化学種と液面に平行な遷移モーメントを持つ化学種を分けて観測を可能にしているとの予備的実験データを得ているが、定量的な判断には到っていない。これは、z-偏光子の弱点でもある光軸上の光が遮られることから、位置精度を保った扱いが難しいことにも原因がある。同じく光軸上の光が利用できない反射対物レンズとの好相性が期待できることに着目して検討を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
開発してきた偏向面選択的深紫外励起・紫外可視蛍光観測共焦点レーザー顕微鏡に反射対物レンズを装着する等の改良を加えつつ、ビフェニルとナフタレンとに関して、表面分子密度、偏光、バルク水の液性（pHとイオン強度）等の条件を変えて、水面展開後の経時変化にも着目しながら蛍光スペクトルの観測データを集積する。まず、蛍光スペクトルシフトの精密な検討と偏光依存性の定量的な測定とにより、水面選択的な観測を確認する。この際、予備的実験においてスペクトル変化が確認できている固体表面吸着系やバルク水溶液中での蛍光スペクトルとも比較して検討する。同じく予備的実験において確認できている水面観測時にナフタレンの蛍光スペクトルが経時変化する原因を、変化速度の実験条件への依存性を検討することにより明らかにする。また、z-偏光子と反射対物レンズとの組み合わせによる偏光解析手順の確立を図る。アントラセン、ピレン等のより多環の芳香族分子も用いて、水面分子配向の分子サイズへの依存傾向を探る。次に、表面分子密度を可能な限り下げての観測を試みて検出限界を求める。検出感度が十分に確保できた場合には、蛍光時間相関解析によりクラスター形成の決定的な証拠を得ることを試みる。また、必要に応じて界面張力等の熱力学データを収集する。
これらのデータを基に、蛍光励起スペクトル等の分光データも活用しつつ水面分子の特性の検討を進める。すなわち、水面上のクラスターのサイズや運動様式、水面上での吸着位置（深さ）、水面に対する遷移モーメントの向き（分子配向）等を検討し、本手法により明らかにできる表面選択的な分子の状態を見極める。実験結果を整理し、装置開発の詳細も合わせてまとめ、研究成果を公表する。
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Research Products
(2 results)
