Novel approach for spectroscopic molecule detection: Pioneering multicolor multiphoton photothermal spectroscopy

• Project/Area Number: 18H03915
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 34:Inorganic/coordination chemistry, analytical chemistry, and related fields
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 原田 明 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (90222231)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥45,240,000 (Direct Cost: ¥34,800,000、Indirect Cost: ¥10,440,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2019: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2018: ¥24,440,000 (Direct Cost: ¥18,800,000、Indirect Cost: ¥5,640,000)
• 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 / 偏光特性 / 紫外レーザー分光 / 多色多光子吸収 / ヘテロダイン検出 / 偏光依存性 / 円偏光 / 溶液物理化学

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。
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高調波とを同期して用いて対象化学種を励起できる。355nmまたは532nmの光と可視域の波長可変光とを用いた2色2光子励起による熱レンズスペクトル測定、光音響スペクトル測定に成功している。溶媒バックグラウンドの低減のために円偏光励起も検討した。また、フェムト秒Ti:サファイアレーザー（再生増幅なし）による二光子励起光音響スペクトルの測定に成功している。温調付オートサンプラーを備えたHPLCを用いて分離検出特性を検討し、光熱変換ヘテロダイン検出による分離検出装置性能をまとめた報文を公開した。光源性能が装置性能に直結することから、新規光源を導入して更なる高性能化に向けた準備を整えた。

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きた。5年計画の4年目であった令和3年度（2021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］および、(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］を継続するとともに、（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の光と540～590nmの光、または532nmの光と650～780nmの光を用いての2色2光子励起による熱レンズスペクトルの測定に成功し、さらに、簡易検出法として優れる光音響スペクトルの測定にも成功している。溶媒バックグラウンドが予想外に大きいこと、円偏光のバックグラウンド抑制効果が限定的であること等の特徴把握も進んだ。フェムト秒Ti:サファイアレーザー（再生増幅なし）での2光子励起測定においても、これまで報告例が無かった蛍光性を持たない化学種での二光子励起光音響スペクトルの測定に成功している。
(Ⅱ)および（Ⅲ）に関しては、分離・検出装置とすることを目的とした検討である。既に、紫外光および深紫外光励起の光熱変換ヘテロダイン検出器を備えたセミミクロHPLCの分離分析性能をまとめて報文として公表している。さらに、従来、光熱変換検出との相性が悪いとされてきたグラディエント分離条件において検出性能を最適化した検討結果を含む研究成果を含めた続報の公開準備が進んでいる。また、光源性能がトータル性能を左右することから、新型の半導体レーザー光源を入手して実験準備中である。

Strategy for Future Research Activity

連続発振、ナノ秒パルス、フェムト秒パルスの3種類の光源を用いた感度特性の検討を継続するとともに、フロー系の2色励起光熱変換顕微ヘテロダイン検出装置の試作機に改良を加えつつ、検出感度の検証を進める。中でも連続発振励起では、光源性能が装置性能に直結することから、昨年度、新たに入手可能となった半導体レーザーモジュールを導入している。本年度は5年計画の最終年度となるが、まず、この新規連続発振光源を用いて感度特性を再度検討する。最適化性能を見極めた上で、フロー系の2色励起光熱変換検出装置として、励起用光源導入方法、多色励起のための光学素子配置、検出部セル形状等に必要な改良を加えた上で、完成を図る。並行して、ナノ秒、フェムト秒の2種類の光源を用いて感度特性の検討を継続しつつ、高感度光音響検出の可能性を検討する。
特に新規性の高い検討項目は、(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光子吸収の光音響検出、（2）非蛍光性化学種を対象とした2光子吸収スペクトル測定、（3）分離分析検出器としての2色励起光熱変換検出の実現、（4）光熱変換検出と分離性能の優れるグラディエント溶離との結合、(5) 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。なお、本研究では引き継き、生体関連アミノ酸（20種類）、5種類の核酸塩基、多環芳香族塩素化物およびニトロ化物をターゲット化学種とするが、2光子吸収スペクトルが報告されていない化学種、特に非蛍光性化学種も測定対象として検討する。

Research Products

• [Journal Article] Ultraviolet and Deep-Ultraviolet Excitation Photothermal Heterodyne Interferometer Combined with Semi-Micro HPLC (2021)
  • Author(s): Miki Isoda, Toshihiko Abe, Kai Aoki, Akira Harata
  • Journal Title: Anal. Sci. Volume: 37 Issue: 6 Pages: 911-916
  • DOI: 10.2116/analsci.20p328 10.2116/analsci.20P328
  • NAID: 130008050695
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultraviolet-Excitation Photothermal Heterodyne Interferometer as a Micro-HPLC Detector (2019)
  • Author(s): Miki ISODA, Makoto FUKUMA, Akira HARATA
  • Journal Title: Anal. Sci. Volume: 35 Issue: 12 Pages: 1311-1315
  • DOI: 10.2116/analsci.19p190 10.2116/analsci.19P190
  • NAID: 130007760259
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] セミミクロHPLC/光熱変換ヘテロダイン干渉分光法を用いた環境関連物質の無標識・高感度分離分析 (2021)
  • Author(s): 木原 香澄、礒田 美紀、原田 明
  • Organizer: 日本分析化学会70年会
• [Presentation] セミミクロHPLC/光熱変換ヘテロダイン干渉分光法を用いた生体・環境関連物質の無標識・高感度分離分析 (2021)
  • Author(s): 木原 香澄、礒田 美紀、原田 明
  • Organizer: 第58回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] 2色2光子熱レンズ検出と2光子吸収スペクトル (2020)
  • Author(s): 原田 明、上戸 あいら、小平田 新十郎、礒田 美紀
  • Organizer: 日本分析化学会69年会
• [Presentation] Development of Laser Excitation Thermal Lens Spectroscopy by Deep Ultraviolet Excitation (LETLS-213) (2019)
  • Author(s): Aira KAMITO, Miki ISODA, Akira HARATA
  • Organizer: 5th International Exchange and Innovation Conference on Engineering & Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Multiphoton Excitation Thermal Lens Spectroscopy for Label-Free and High-Sensitive Detection (2019)
  • Author(s): Shinjuro KOHIRATA, Miki ISODA, Akira HARATA
  • Organizer: 第40回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Deep Ultraviolet Excitation Thermal Lens Spectroscopy (2019)
  • Author(s): KAMITO Aira, ISODA Miki, HARATA Akira
  • Organizer: 21st Cross Straits Symposium on Energy and Environmental Science and Technology (CSS-EEST)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HPLC/光熱変換ヘテロダイン干渉法を用いたニトロ多環芳香族炭化水素の高感度分析 (2019)
  • Author(s): 礒田 美紀、安倍 聡彦、原田 明
  • Organizer: 総合技術研究会2019九州大学
• [Presentation] Development of Thermal Lens Spectroscopy by Deep Ultraviolet Excitation for Label-Free and High-Sensitive Detection for Micro-Analysis (2019)
  • Author(s): KOHIRATA, Shinjuro; ISODA,Miki; HARATA, Akira
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ流路デバイスを用いた深紫外光励起熱レンズ分光法の開発 (2018)
  • Author(s): 岩坂 諒、原田 明、磯田 美紀
  • Organizer: 第55回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] セミミクロHPLC/紫外光励起光熱変換検出法を用いたニトロ多環芳香族炭化水素の高感度分析 (2018)
  • Author(s): 原田 明、安部 聡彦、岩坂 諒、礒田 美紀
  • Organizer: 日本分析化学会第67年会
• [Remarks] 九州大学大学院総合理工学府原田・薮下研究室
  • URL: https://www.mm.kyushu-u.ac.jp/lab_07/
• [Remarks] 九州大学研究者情報「原田 明」
  • URL: https://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K000367/index.html
• [Remarks] 研究者プロファイリングツール 九州大学Pure
  • URL: https://kyushu-u.pure.elsevier.com/ja/persons/akira-harata
• [Remarks] 九州大学大学院総合理工学府原田・薮下研究室
  • URL: http://www.mm.kyushu-u.ac.jp/lab_07/
• [Remarks] 「原田 明」教育研究関連のデータベース
  • URL: http://www.mm.kyushu-u.ac.jp/lab_07/members/harata/AHDB_01.html