2019 Fiscal Year Annual Research Report
Novel approach for spectroscopic molecule detection: Pioneering multicolor multiphoton photothermal spectroscopy
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18H03915
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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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2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 2色2光子励起 / 光熱変換 / 超高感度検出 / 非蛍光性化学種 / 溶液物理化学 / 紫外レーザー分光 / 多色多光子吸収 / ヘテロダイン検出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、溶液系における溶質分子の光学的検出法に新基軸をもたらそうとするものである。重要性が高く微量な生体・環境関連の溶液中化学種の多くは、紫外域にのみ光吸収を持ち、非蛍光性である。それらを無修飾のままにて単一分子検出レベルで高感度検出できる汎用的な手法は未だ存在しない。そこで、非蛍光性化学種の無標識・超高感度検出法として申請者らが開発してきた深紫外光励起光熱変換ヘテロダイン計測法を発展させ、汎用性・高感度性・化学種選択性を併せ持つ非蛍光性化学種の無標識・超高感度検出技術開発に挑んでいる。技術的キーポイントは、多色多光子吸収を利用した深紫外吸収帯の光励起・検出の実現である。主に次の3項目を検討する。(Ⅰ) 2色2光子光熱変換現象の実証と基本特性把握。(Ⅱ) フロー系・2色2光子光熱変換顕微ヘテロダイン検出装置の開発。（Ⅲ）分離分析・検出装置としての開発、性能評価と応用。
初年度から本年度にかけて、全固体レーザーを励起光源としつつ多色多光子吸収を利用した深紫外吸収帯の光励起・検出の実現を検証してきた。開発した二色二光子励起光熱変換測定系では、紫外光から可視光に渡る波長域の光と、Nd:YAGレーザーの第2または第3高調波（532nm、355nm）とを同期して用いて対象化学種を励起できる。355nm光を用いた2色2光子励起による光熱変換検出に成功している。溶媒の単色二光子吸収バックグラウンドが予想外に大きいこと、深紫外光励起では円偏光のバックグラウンド抑制効果は限定的であること等の特徴把握も進んだ。導入したHPLC用温調付オートサンプラーを用いて分離検出特性を検討できる準備を整えた。別光源であるフェムト秒Ti:サファイアレーザー（再生増幅なし）での二光子励起測定の検討にも着手した。光熱変換ヘテロダイン検出装置については、性能をまとめて報文として公表した。
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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
本研究は、前述の3つの柱を掲げて研究を遂行している。5年計画の2年目であった令和元年度（2019年度）は、(Ⅰ) 2色2光子光熱変換現象の実証と基本特性把握［当初計画2018・2019年度予定］を進めると共に、計画を前倒して、(Ⅱ) フロー系・2色2光子光熱変換顕微ヘテロダイン検出装置の開発 ［当初計画2019・2020年度予定］を進めた。
(Ⅰ) に関しては、多色多光子吸収を利用しての”深紫外吸収帯”の光励起・検出の実現をはかり、355nm光と540～590 nm光を用いての2色2光子励起による光熱変換検出に成功した。溶媒の単色二光子吸収バックグラウンドが予想外に大きいこと、深紫外光励起では円偏光のバックグラウンド抑制効果は限定的であること等の特徴把握が進んだ。別光源であるフェムト秒Ti:サファイアレーザー（再生増幅なし）での2光子励起測定にも着手した。次年度、ナノ秒、フェムト秒の2種類の光源を用いて検討する。新規性の高い項目は、(1) 400 nm近辺の波長の光と532 nmないしは近赤外域の光との2色による2光子吸収の信号の検出、（2）分離分析用溶媒中のターゲット化学種の2色2光子遷移確率、(3) 分離分析用溶媒自体およびその中の不純物であると推定される化学種とターゲット化学種とで選択性を向上する条件［波長、タイミング、偏光特性、出力比］である。
(Ⅱ)に関しては、分離分析・検出装置とするために必須な検討であり、効率よく分離検出実験を進めるために、前倒しでHPLC用温調付オートサンプラーを導入して準備を整えている。また、375 nmの単色励起ではあるが、HPLCの検出器としての光熱変換ヘテロダイン検出装置については、性能をまとめて報文として公表した。これらにより、高速液体クロマトグラフィーの検出器として用いる条件が整い、第（Ⅲ）の柱に円滑に繋がる目処が立っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
光熱変換検出により非蛍光生化学種の分子カウンティング実現のためには、信号の増強、バックグラウンドの低減とともに発熱由来の屈折率変化の高精度計測が不可欠である。原理検証、基本特性把握とともに分離分析応用を念頭に、装置としての操作性・長期安定性を確保しつつ、性能向上を図り、分子カウンティングレベルの感度の実現に挑戦する。
当初予定通り、本研究の中心課題となる、(Ⅰ) 2色2光子光熱変換現象の実証と基本特性把握を中心に据えて、(1)信号検出自体、（2）溶液中ターゲット化学種の2色2光子遷移確率、(3)溶媒中の不純物であると推定される化学種と、ターゲット化学種とで選択性を向上する条件［波長、タイミング、偏光特性、出力比］の項目について検討を継続する。（2）は、高い安定性と疑似連続光特性（80MHz帯の高い繰り返し周波数）を持つ故に分離分析用検出器用の光源として優れ、併せて用いる予定のフェムト秒Ti：サファイヤレーザー第3高調波発生システム（モードロックレーザーのオシレータのみ、既存）を光源とする可能性を継続して検証する。
検出部流路のマイクロチップシースフロー化に目処が付いていることから、（Ⅲ）分離分析・検出装置としての開発、性能評価と応用 ［当初計画2020～2022年度予定］への本格的なアプローチを始める。本研究では生体関連アミノ酸（20種類）、5種類の核酸塩基、および多環芳香族塩素化物、ニトロ化物をターゲット化学種としている。ただし、予測外に強い純溶媒の2色2光子光熱変換バックグラウンド信号を抑制する手法の開発を最優先検討事項として、分離溶媒や分離性能向上のための添加剤の再選択、それに合わせた分離条件の再検討も実施する。
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