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テラヘルツ分光を用いた細胞評価

研究課題

研究課題/領域番号 14J00295
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 農業環境・情報工学
研究機関京都大学

研究代表者

白神 慧一郎  京都大学, 農学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2014-04-25 – 2017-03-31
研究課題ステータス 完了 (2016年度)
配分額 *注記
3,200千円 (直接経費: 3,200千円)
2016年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2014年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードテラヘルツ時間領域分光法 / 水の分子間伸縮振動 / 水素結合 / 複素誘電率 / キセノン / 水の構造化 / テラヘルツ分光 / 全反射減衰分光法 / 植物細胞 / 水素結合ネットワーク
研究実績の概要

本研究課題は,テラヘルツ分光を用いてキセノンが圧入された際に生じる水分子の構造化を評価し,植物中における水の構造化が細胞の生理状態に与える影響に新たな知見を見出すことを目的としている.平成28年度は,細胞の分光測定に適した全反射減衰テラヘルツ時間領域分光(THz TD-ATR)測定系を自作し,それを用いてヒト由来のHeLa細胞中の細胞内水を詳細に評価できることを示した.しかし,植物細胞にキセノンを圧入し,細胞内水の構造化を評価するには至らなかった.
テラヘルツ帯の複素誘電率はブロードな誘電応答の重ね合わせで表現されるため,水の動態・構造に関する詳細な情報を正確に得るためには広帯域にわたる分光測定が必要不可欠である.そこで本研究では超短フェムト秒パルスを用いたTHz TD-ATR測定系の自作を行い,0.2~7.0 THzまで測定領域を広帯域化することに成功した.このTHz TD-ATR測定系の妥当性検証のため270-340 Kの温度範囲で純水の複素誘電率測定を行ったところ,昇温に伴って水の複素誘電率は大きくなる傾向が認められ,さらに270 Kの過冷却水が相転移して氷Ihに変化すると複素誘電率が非常に大きく変化するという結果が得られた.これらの結果は先行研究の報告例ともよく一致しており,本測定系で得られる複素誘電率が妥当であることを確認することができた.基板に接着して分裂し,細胞単層を形成するHeLa細胞はTHz TD-ATR測定に適した細胞試料であるため,構築したTHz TD-ATR測定系を用いてHeLa細胞の複素誘電率測定を行い,その結果から細胞内の水和状態ならびに水素結合環境の定量評価を行った.その結果,HeLa細胞内の水の約25 %が水和水として存在しており,残りの75 %の細胞内水は通常の水に比べて極めて無秩序な水素結合構造を形成していることが示された.

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2016 実績報告書
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2017 2016 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 9件、 謝辞記載あり 6件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Characterization of the hydrogen-bond network of water around sucrose and trehalose: Microwave and terahertz spectroscopic study2017

    • 著者名/発表者名
      Keiichiro Shiraga, Aya Adachi, Masahito Nakamura, Takuro Tajima, Katsuhiro Ajito, and Yuichi Ogawa
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 146 号: 10 ページ: 105102-105102

    • DOI

      10.1063/1.4978232

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Characterization of the hydrogen-bond network of water around su-crose and trehalose: H-O-H bending analysis2017

    • 著者名/発表者名
      Keiichiro Shiraga, Aya Adachi, Yuichi Ogawa
    • 雑誌名

      Chemical Physical Letters

      巻: 678 ページ: 59-64

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2017.04.023

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Hydrogen Bond Network of Water around Protein Investigated with Terahertz and Infrared Spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Keiichiro Shiraga, Yuichi Ogawa, Naoshi Kondo
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 111 号: 12 ページ: 2629-2641

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2016.11.011

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Hydration and Hydrogen Bond Network of Water during the Coil-to-Globule Transition in Poly(N-isopropylacrylamide) Aqueous Solution at Cloud Point Temperature2015

    • 著者名/発表者名
      K. Shiraga, H. Naito, T. Suzuki, N. Kondo and Y. Ogawa
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 受理直後 号: 17 ページ: 5576-5587

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.5b01021

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書 2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Hydration state inside HeLa cell monolayer investigated with terahertz spectroscopy2015

    • 著者名/発表者名
      K. Shiraga, T. Suzuki, N. Kondo, K. Tanaka and Y. Ogawa
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 106 号: 25 ページ: 253701-253701

    • DOI

      10.1063/1.4922918

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 微細気泡水の電気化学的特性の定量評価及び応用実験との相関について2015

    • 著者名/発表者名
      上田義勝,徳田陽明,二瓶直登,杉山暁史,小川雄一,白神慧一郎
    • 雑誌名

      混相流

      巻: 28 ページ: 555-562

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 糖-水の相互作用による耐凍結乾燥特性の究明2015

    • 著者名/発表者名
      白神慧一郎,足立絢,小川雄一
    • 雑誌名

      冷凍

      巻: 90 ページ: 362-367

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] Quantitative Characterization of Hydration State and Destructuring Effect of Monosaccharides and Disaccharides on Water Hydrogen Bond Network2015

    • 著者名/発表者名
      K. Shiraga, T. Suzuki, N. Kondo, J. De Baerdemaeker and Y. Ogawa
    • 雑誌名

      Carbohydrate Research

      巻: 406 ページ: 46-54

    • DOI

      10.1016/j.carres.2015.01.002

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Characterization of Dielectric Responses of Human Cancer Cells in the Terahertz Region2014

    • 著者名/発表者名
      K. Shiraga, Y. Ogawa, T. Suzuki, N. Kondo, A. Irisawa and M. Imamura
    • 雑誌名

      Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves

      巻: 35 号: 5 ページ: 493-502

    • DOI

      10.1007/s10762-014-0067-y

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Hydration and Hydrogen Bond Network of Water around Hydrophobic Surface Investigated by Terahertz Spectroscopy2014

    • 著者名/発表者名
      K. Shiraga, T. Suzuki, N. Kondo and Y. Ogawa
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 141 号: 23

    • DOI

      10.1063/1.4903544

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Characterization of hydration state and hydrogen-bond network in the biological solutions and the epithelial cells2017

    • 著者名/発表者名
      Keiichiro Shiraga, Yuichi Ogawa
    • 学会等名
      Recent Advances in Terahertz Molecular Science
    • 発表場所
      神戸大学
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Characterization of intracellular water investigated with terahertz spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Keiichiro Shiraga, Yuichi Ogawa
    • 学会等名
      Aquaphotomics: Understanding Water in Biology - 2nd International Symposium
    • 発表場所
      神戸大学
    • 年月日
      2016-11-26
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 二糖水溶液中の水和状態及び水素結合ネットワーク破壊の定量評価2016

    • 著者名/発表者名
      白神慧一郎,小川雄一
    • 学会等名
      シンポジウム テラヘルツ科学の最先端III
    • 発表場所
      福井
    • 年月日
      2016-11-24
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質表層における水の動的・構造的特性の評価2015

    • 著者名/発表者名
      白神慧一郎,近藤直,小川雄一
    • 学会等名
      テラヘルツ科学の最先端Ⅱ
    • 発表場所
      宮城県仙台市作並
    • 年月日
      2015-11-19
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Evaluation of the Bulk Water dynamics inside HeLa Cells using Terahertz Time-Domain Attenuated Total Reflection Spectroscopy2014

    • 著者名/発表者名
      K. Shiraga, Y. Ogawa and N. Kondo
    • 学会等名
      The General Assemblies and Scientific Symposia of International Union of Radio Science
    • 発表場所
      Beijing, China
    • 年月日
      2014-08-16 – 2014-08-23
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Characterization of Hydrogen Bond Network and Hydration in Glucose Solution2014

    • 著者名/発表者名
      K. Shiraga, T. Suzuki, N. Kondo, T. Tajima, M. Nakamura, H. Takahashi, K. Ajito, H. Togo, A. Hirata and Y. Ogawa
    • 学会等名
      International Symposium on Frontier of Terahertz Science
    • 発表場所
      Okinawa, Japan
    • 年月日
      2014-08-04 – 2014-08-06
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Characterizing the Hydrogen Bond Network of Water in Aqueous Saccharide Solution2014

    • 著者名/発表者名
      K. Shiraga, Y. Ogawa and N. Kondo
    • 学会等名
      4th EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology
    • 発表場所
      Camogli, Italy
    • 年月日
      2014-05-11 – 2014-05-14
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [備考] 京都大学 生物センシング工学研究室

    • URL

      http://www.aptech.kais.kyoto-u.ac.jp/member/student/shiraga.html

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [備考] 京都大学 生物センシング工学研究室

    • URL

      http://www.aptech.kais.kyoto-u.ac.jp/summary/sum1.html

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [産業財産権] 成分濃度分析方法2015

    • 発明者名
      田島卓郎,中村昌人,都甲浩芳,小川雄一,白神慧一郎
    • 権利者名
      田島卓郎,中村昌人,都甲浩芳,小川雄一,白神慧一郎
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2015-03-30
    • 取得年月日
      2016-11-04
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

URL: 

公開日: 2015-01-22   更新日: 2024-03-26  

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