金属錯体のフェムト秒時間分解分子構造・電子状態計測

• 研究領域: 高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用
• 研究課題/領域番号: 19H05782
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 足立 伸一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, その他部局等, 理事 (60260220)
• 研究分担者: 片山 哲夫 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 主幹研究員 (90648073)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2021年度)
• 配分額: 85,540千円 (直接経費: 65,800千円、間接経費: 19,740千円); 2021年度: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2020年度: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2019年度: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円)
• キーワード: 放射光 / X線 / 金属錯体 / 時間分解計測 / X線自由電子レーザー / 物理化学 / 反応ダイナミクス / 時間分解 / 超高速ダイナミクス / 放射光X線

研究開始時の研究の概要

溶液中で進行する光化学反応の計測には、これまで主に赤外から紫外域における時間分解分光法が用いられてきたが、これらの時間分解分光法は特定の元素（例えば、金属タンパク質の活性中心である金属元素）に注目した元素選択的な計測には適していない。このような元素選択的な計測には、原子の内殻励起を通じて金属原子の電子状態や金属原子周辺の構造を検出するX線分光計測が最も適した手法である。本研究では光反応性金属タンパク質の活性中心モデルとしての金属錯体を主な対象として、その分子構造と電子状態の時間発展をフェムト秒の時間分解能で精密に計測・解析することにより、金属元素を含む生体分子の機能発現メカニズムを解明に迫る。

研究実績の概要

本新学術領域では、生体高分子のみに留まらず、生体高分子の中に取り込まれて活性中心を構成する金属錯体についても、重要な研究ターゲットの一つである。本計画班(B01班)では、「金属錯体のフェムト秒時間分解分子構造・電子状態計測」という目標を掲げ、主に時間分解X線分光・X線散乱の計測手法を用いて、フェムト秒オーダーで現れる金属錯体の過渡的な分子構造および電子状態の解明を目指している。さらに、A01班における天然の光合成反応を模倣した人工光合成反応の開発研究とも連携し、光触媒機能を示す金属錯体をターゲットとして、その光エネルギー変換のメカニ ズムを時間分解X線計測を駆使して明らかにすることも目指している。 従来の溶液中で進行する光化学反応の計測には、主に赤外から紫外域における時間分解分光法が用いられてきたが、これらの時間分解分光法は分子構造に関する間接的な情報を与えるものの、直接的に分子構造情報を与えない。分子構造の直接情報を得るためには、X線散乱法が最も適した手法である。2021年度は、二酸化炭素の光還元反応を触媒するレニウム錯体の光励起された中間体について時間分解EXAFS法により構造解析を行い、時間分解赤外分光法および理論計算を合わせて、レニウム錯体における電子状態と反応性について議論を行なった。また、光反応性を示す金属錯体を抗体タンパク質に結合させた実験系について積極的に検討を進めた。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] KAIST/POSTECH(韓国)
• [国際共同研究] Lund University/University of Gothenburg/Uppsala University(スウェーデン)
• [国際共同研究] Technical University of Denmark(デンマーク)
• [国際共同研究] European XFEL/DESY(ドイツ)
• [国際共同研究] EPFL/Paul Scherrer Institute(スイス)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] KAIST/POSTECH(韓国)
• [国際共同研究] DESY(ドイツ)
• [雑誌論文] Determining Excited-State Structures and Photophysical Properties in Phenylphosphine Rhenium(I) Diimine Biscarbonyl Complexes Using Time-Resolved Infrared and X-ray Absorption Spectroscopies (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata, Masataka Funaki, Takumi Ehara, Tatsuki Morimoto, Shunsuke Nozawa, Shin-ichi Adachi, Osamu Ishitani, Ken Onda
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 60 号: 11 ページ: 7773-7784
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00146
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] New Visible-Light-Driven H2- and O2-Evolving Photocatalysts Developed by Ag(I) and Cu(I) Ion Exchange of Various Layered and Tunneling Metal Oxides Using Molten Salts Treatments (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Kenta、Iwashina Katsuya、Iwase Akihide、Nozawa Shunsuke、Adachi Shin-ichi、Kudo Akihiko
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 32 号: 24 ページ: 10524-10537
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c03461
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mapping the emergence of molecular vibrations mediating bond formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim J. G., Nozawa S., Kim H., Choi E. H., Sato T., Kim T. W., Kim K. H., Ki H., Kim J., Choi M., Lee Y., Heo J., Oang K. Y., Ichiyanagi K., Fukaya R., Lee J. H., Park J., Eom I., et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 582 号: 7813 ページ: 520-524
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2417-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tracking the Local Structure Change during the Photoabsorption Processes of Photocatalysts by the Ultrafast Pump-Probe XAFS Method (2020)
  • 著者名/発表者名: Uemura Yohei、Yokoyama Toshihiko、Katayama Tetsuo、Nozawa Shunsuke、Asakura Kiyotaka
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 10 号: 21 ページ: 7818-7818
  • DOI: 10.3390/app10217818
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Charge Trapping Process in Photoexcited Nitrogen-Doped Titanium Oxides (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Kosuke、Yamanaka Ken-ichi、Nozawa Shunsuke、Fukuzawa Hironobu、Katayama Tetsuo、Morikawa Takeshi、Nonaka Takamasa、Dohmae Kazuhiko、Ueda Kiyoshi、Yabashi Makina、Asahi Ryoji
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 号: 15 ページ: 10439-10449
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c00696
  • 査読あり
• [雑誌論文] Femtosecond X-ray emission study if the spin cross-over dynamics in haem proteins (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Linschel et al, and T. Suzuki
  • 雑誌名: Nature Communication 巻: 11 号: 1 ページ: 4145-4145
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17923-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observing the Structural Evolution in the Photodissociation of Diiodomethane with Femtosecond Solution X-Ray Scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: Panman Matthijs R.、Katayama Tetsuo、Westenhoff Sebastian他
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 号: 22 ページ: 226001-226001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.226001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropic X-Ray Scattering of Transiently Oriented Water (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Kyung Hwan、Katayama Tetsuo、Nilsson Anders、Perakis Fivos他
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 号: 7 ページ: 076002-076002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.076002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Supramolecular copolymerization driven by integrative self-sorting of hydrogen-bonded rosettes (2020)
  • 著者名/発表者名: Aratsu Keisuke、Takeya Rika、Pauw Brian R.、Hollamby Martin J.、Kitamoto Yuichi、Shimizu Nobutaka、Takagi Hideaki、Haruki Rie、Adachi Shin-ichi、Yagai Shiki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 1623-1623
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15422-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photoinduced anisotropic distortion as the electron trapping site of tungsten trioxide by ultrafast W L1-edge X-ray absorption spectroscopy with full potential multiple scattering calculations (2019)
  • 著者名/発表者名: Koide Akihiro, Hatada Keisuke et al.
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 19 号: 5 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1039/c9cp01332f
  • NAID: 120006957263
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tracking multiple components of a nuclear wavepacket in photoexcited Cu(I)-phenanthroline complex using ultrafast X-ray spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, T. Northey, W. Gawelda, C. J. Milne, G. Vanko, F. A. Lima, R. Bohinc, Z. Nemeth, S. Nozawa, T. Sato, D. Khakhulin, J. Szlachetko, T. Togashi, S. Owada, S. Adachi, C. Bressler, M. Yabashi, and T. J .Penfold
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 3606-3606
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11499-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Microstructural deformation process of shock-compressed polycrystalline aluminum (2019)
  • 著者名/発表者名: Ichiyanagi Kouhei、Takagi Sota、Kawai Nobuaki、Fukaya Ryo、Nozawa Shunsuke、Nakamura Kazutaka G.、Liss Klaus-Dieter、Kimura Masao、Adachi Shin-ichi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 7604-7604
  • DOI: 10.1038/s41598-019-43876-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] One-shot preparation of topologically chimeric nanofibers via a gradient supramolecular copolymerization (2019)
  • 著者名/発表者名: Kitamoto Yuichi、Pan Ziyan、Prabhu Deepak D.、Isobe Atsushi、Ohba Tomonori、Shimizu Nobutaka、Takagi Hideaki、Haruki Rie、Adachi Shin-ichi、Yagai Shiki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 12815-12824
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12654-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of a Ruthenium(V)-Imido Complex and the Reactivity in Substrate Oxidation in Water through the Nitrogen Non-Rebound Mechanism (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Ishizuka, Taichi Kogawa, Misaki Makino, Yoshihito Shiota, Kazuaki Ohara, Hiroaki Kotani, Shunsuke Nozawa, Shin-ichi Adachi, Kentaro Yamaguchi, Kazunari Yoshizawa, Takahiko Kojima
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 号: 19 ページ: 12815-12824
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b01781
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Topological Impact on the Kinetic Stability of Supramolecular Polymers (2019)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Atsuhito、Aratsu Keisuke、Datta Sougata、Shimizu Nobutaka、Takagi Hideaki、Haruki Rie、Adachi Shin-ichi、Hollamby Martin、Silly Fabien、Yagai Shiki
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 141 号: 33 ページ: 13196-13202
  • DOI: 10.1021/jacs.9b06029
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Real-time observation of X-ray-induced intramolecular and interatomic electronic decay in CH2I2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Fukuzawa Hironobu、Takanashi Tsukasa、Kukk Edwin、Motomura Koji、Wada Shin-ichi、Nagaya Kiyonobu、Ito Yuta、Nishiyama Toshiyuki、Christophe Nicolas 6, Yoshiaki Kumagai、Iablonskyi Denys、Mondal Subhendu、Tachibana Tetsuya、You Daehyun、Yamada Syuhei、Sakakibara Yuta、Asa Kazuki、Sato Yuhiro、Sakai Tsukasa、et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: － 号: 1 ページ: 2186-2186
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10060-z
  • NAID: 120006634627
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Kinetics of a Phonon-Mediated Laser-Driven Structural Phase Transition in Sn2P2Se6 (2019)
  • 著者名/発表者名: M.Kubli、M.Savoini、E.Abreu、B.Burganov、G.Lantz、L.Huber、M.Neugebauer、L.Boie、V.Esposito、E.Bothschafter、S.Parchenko 、S.Grubel、M.Porer、J.Rittmann 、P.Beaud、U.Staub、M.Yabashi、Y.Tanaka、T.Katayama、T.Togashi、A.Kohutych、Y.Vysochanskii、S.Johnson
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 9 号: 3 ページ: 525-525
  • DOI: 10.3390/app9030525
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast Structural Dynamics of Nanoparticles in Intense Laser Fields (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama Toshiyuki、Kumagai Yoshiaki、Niozu Akinobu、Fukuzawa Hironobu、Motomura Koji、Bucher Maximilian、Ito Yuta、Takanashi Tsukasa、Asa Kazuki、Sato Yuhiro、You Daehyun、Li Yiwen、Ono Taishi、Kukk Edwin、Miron Catalin、Neagu Liviu、Katayama Tetsuo、他17名
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 号: 12 ページ: 123201-123201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.123201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Early time dynamics of laser-ablated silicon using ultrafast grazing incidence X-ray scattering (2019)
  • 著者名/発表者名: Hull C.、Raj S.、Lam R.、Katayama T.、Pascal T.、Drisdell W.S.、Saykally R.、Schwartz C.P.
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 736 ページ: 136811-136811
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2019.136811
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Arrival timing diagnostics at a soft X-ray free-electron laser beamline of SACLA BL1 (2019)
  • 著者名/発表者名: Owada Shigeki、Nakajima Kyo、Togashi Tadashi、Katayama Tetsuo、Yumoto Hirokatsu、Ohashi Haruhiko、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 26 号: 3 ページ: 887-890
  • DOI: 10.1107/s1600577519002315
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polarization control with an X-ray phase retarder for high-time-resolution pump-probe experiments at SACLA (2019)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y.、Suzuki M.、Katayama T.、Yamamoto K.、Tono K.、Inubushi Y.、Seki T.、Takanashi K.、Wadati H.、Yabashi M.
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 26 号: 4 ページ: 1139-1143
  • DOI: 10.1107/s1600577519006222
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A versatile experimental system for tracking ultrafast chemical reactions with X-ray free-electron lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tetsuo、Nozawa Shunsuke、Umena Yasufumi、Lee SungHee、Togashi Tadashi、Owada Shigeki、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Structural Dynamics 巻: 6 号: 5 ページ: 054302-054302
  • DOI: 10.1063/1.5111795
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray optics for advanced ultrafast pump-probe X-ray experiments at SACLA (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama,T. Hirano, Y. Morioka, Y. Sano, T. Osaka, S. Owada, T. Togashi, M. Yabashi
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 26 号: 2 ページ: 333-338
  • DOI: 10.1107/s1600577518018362
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ultrafast demagnetization of Pt magnetic moment in L10-FePt probed by magnetic circular dichroism at a hard x-ray free electron laser (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kohei、Kubota Yuya、Suzuki Motohiro、Hirata Yasuyuki、Carva Karel、Berritta Marco、Takubo Kou、Uemura Yohei、Fukaya Ryo、Tanaka Kenta、Nishimura Wataru、Ohkochi Takuo、Katayama Tetsuo、他8名
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 21 号: 12 ページ: 123010-123010
  • DOI: 10.1088/1367-2630/ab5ac2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Selective Reduction Mechanism of Graphene Oxide Driven by the Photon Mode versus the Thermal Mode (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, K. Miyata, S. Ohmura, Y. Arashida, K. Ichiyanagi, I. Katayama, T. Suzuki, W. Chen, S. Mizote, T. Sawa, T. Yokoya, T. Seki, J. Matsuo, T. Tokunaga, C. Itoh, K. Tsuruta, R. Fukaya, S. Nozawa, S. Adachi, J. Takeda, K. Onda, S. Koshihara, Y. Hayashi, Y. Nishina
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 13 号: 9 ページ: 10103-10112
  • DOI: 10.1021/acsnano.9b03060
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] フェムト秒時間分解X線散乱法による励起分子構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 足立伸一
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 第77回学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast molecular structural dynamics studies with time-resolved X-ray methods (2020)
  • 著者名/発表者名: 足立伸一
  • 学会等名: 2020年web光化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast time-resolved X-ray experiments at SACLA (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: QCrOM2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] XFELを用いたフェムト秒X線溶液散乱による光化学反応中の反応経路の可視化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野澤俊介
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Complementarity of SR and XFEL sources for tracking chemical reactions in solution with ultrashort X-ray pulses (2019)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: Time-Resolved Chemistry and APS-U
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Complementarity of SR and XFEL sources for tracking chemical reactions in solution with ultrashort X-ray pulses (2019)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: International Young Researchers Workshop on Synchrotron Radiation Science 2019 (YRSR2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Capturing structural dynamics of photocatalyst by ultrafast X-ray spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: The 5th International Conference on Ultrafast Structural Dynamics (ICUSD)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Tracking Chemical Reactions in Solution with Ultrashort X-ray Pulses (2019)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: The 1st Workshop of Reaction Infography (R-ing) Unit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Tracking ultrafast chemical reaction with X-ray free electron laser (2019)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: International workshop on science at x-ray free electron lasers: Chemical physics and materials science in extreme x-rays light and extreme fields
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Ｘ線分光 (2019)
  • 著者名/発表者名: 日本化学会、福本 恵紀、野澤 俊介、足立 伸一
  • 総ページ数: 126
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320044722
• [備考] 新学術領域「高速分子動画」研究者紹介
  • URL: http://www.molmovies.med.kyoto-u.ac.jp/member/