2014 Fiscal Year Annual Research Report
光誘起電子移動の単分子レベル計測手法の開発とエネルギー変換デバイスへの展開
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26288070
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
西野 智昭 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80372415)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
椎木 弘 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70335769)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 分析科学 / 生体機能利用 / 表面・界面物性 / 1分子計測（SMD） / 原子・分子物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光誘起電子移動を単分子レベルにて計測できる手法の開発を行った．単分子レベルにおける電子輸送について最近多数の研究報告がなされているものの，光誘起電子移動の単分子検出は報告がなく，本研究が初めてのものである．計測には，モデル系として，フラーレン（C60）とポルフィリン（Por）を用いた．この組み合わせは，溶液中や電極界面における電子移動反応が多数報告されており，これらの知見を参考とすることによって，効率的に研究を遂行できた．生体における光合成，または光エネルギー変換デバイスにおいて，電子供与体と受容体は，両者の相互作用が最も有利となる最安定構造において電子移動が生起する．そこで，両者の最安定構造状態における電子移動特性を明らかにするために，電子供与体と受容体の両者の相対的な空間配置をサブナノメートルオーダーにて精密に制御して，電子移動を計測した．即ち，STMの金属製探針にフラーレン分子を固定化し（C60分子探針），これをPorのごく近傍まで接近させた後，両者の距離を徐々に引き離しながら光照射下にてC60－Por間の電流を計測した．このような測定により，光励起されたPorからC60探針への光誘起電子移動の単分子検出できることを明らかにした．本計測手法は，測定対象の分子ペアが非常に弱い相互作用を形成する場合においても，その最安定構造状態の電子移動を計測することができる．また，検出信号であるトンネル電流の著しい距離依存性によって，測定される電流は，下地金属探針の最も先端に存在する探針分子と，これに最近接した試料分子との，単分子－単分子間の電子移動に起因する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
近年，光合成における電荷分離過程をモデルとして，様々な光エネルギー変換デバイスの研究開発が盛んに行われているが，さらなる効率の向上を図ることが喫緊の課題となっている．そのためには天然光合成における効率の極めて高い光電変換過程の分子レベルにおける理解を得て，これをもとにデバイス設計を行う必要がある．そこで，本研究では，光合成における電荷分離過程を単分子レベルにて計測し，その詳細な理解へとつなげることを目的とする．これを達成するためには，光誘起電子移動を単分子レベルで計測できる手法が極めて重要である．上述の通り，現在までモデル系における基礎検討を実施し，ポルフィリンからフラーレンへの光誘起電子移動の単分子計測が可能であることが実証できた．以上のように，本研究の目的達成に不可欠な．要素技術の開発に成功していることから，現在までの達成度は「当初の計画以上に進展している」と評価する．
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| Strategy for Future Research Activity |
新規に開発した測定手法に立脚し，多様な分子の組み合わせにおける光誘起電子移動の単分子計測へと展開する．これにより，生体内光合成の高効率な光エネルギー変換に関する分子レベルにおける系統的理解につなげると共に，高効率での光エネルギー変換を達成するために不可欠な分子設計を明らかにする．具体的には，光合成における一連の光誘起電子移動の各素過程（スペシャルペアにおける光電荷分離，および電子伝達鎖における各電子移動）を分子レベルで追跡し解明する．また，人工光合成や有機薄膜太陽電池において広く用いられているポリ（3-ヘキシルチオフェン）：フラーレン誘導体（P3HT : PCBM）などのヘテロダイマーにおいても同様に検討する．これを，上述の計測により得られた，生体内光合成の知見と比較し，高効率化へ向けた詳細な知見を得る．
さらに，光誘起電子移動が生じる周辺環境の界面構造が電子移動効率に与える影響を明らかにする．生体内における光合成膜は，単に光合成に関わるタンパク質・分子を固定するだけでなく，電場を形成する等によって，光電荷分離の高効率化に寄与していると考えられている．そこで，測定を行う基板上に，脂質二分子膜等を形成し，さらに膜タンパク質を包埋させた条件にて，天然光合成における一連の光誘起電子移動の各素過程を測定する．精密に評価，規定された，生体を模した界面における光誘起電子移動を明らかにする．界面構造が光誘起電子移動に与える影響を明らかにすることによって光エネルギー変換デバイスの分子レベルでの設計指針を得ることによって，エネルギー変換効率の効率化に大きく貢献する．
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| Causes of Carryover |
実験補助等に対する謝金の支払いを想定していたが，実験手順の効率化，簡素化によって補助を省くことができ，謝金の支出が不要だった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
謝金が不要であった一方，H26年度は物品費のうち，試薬・材料費が当初想定よりも多く必要であった．次年度も同様の状況が予想されるため，物品費に充てる．
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[Journal Article] Construction of nanoantennas on the bacterial outer membrane2014
Author(s)
H. Shiigi, M. Fukuda, T. Tono, K. Takada, T. Okada, L. Q. Dung, Y. Hatsuoka, T. Kinoshita, M. Takai, S. Tokonami, H. Nakao, T. Nishino, Y. Yamamoto, T. Nagaoka
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Journal Title
Chem. Commun.
Volume: 50
Pages: 6252-6255
DOI
Peer Reviewed
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