単一分子の励起状態を「視る」光誘起力走査型顕微鏡の理論研究

• 研究課題/領域番号: 21K14554
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分30020:光工学および光量子科学関連
• 研究機関: 地方独立行政法人大阪産業技術研究所 (2023); 北里大学 (2021-2022)
• 研究代表者: 山根 秀勝 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 研究員 (10867823)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: 光物性理論 / 光マニピュレーション / PiFM / 光圧 / キラリティ / superchiral field / ナノ物質 / 数値解析 / 光誘起力顕微鏡 / 光物性 / 単一分子 / プラズモン / 離散双極子近似 / キラル分子

研究開始時の研究の概要

本研究では、原子分解能における単一分子の光誘起力顕微鏡(PiFM)測定法の理論提案を行う。電場解析手法の一つである離散双極子近似法を、分子の波動関数をあらわに取り入れることが可能な形式に再定式化し、現実的な分子モデルを元にその光学応答を解析する。単一分子のPiFM測定について、分子と局在プラズモンとの微視的な相互作用の観点から解析し、分子の禁制遷移励起やキラリティの情報がPiFM信号としてどのように観測されるかを理論的に明らかにする。

研究成果の概要

本研究では、分子内部の構造を波動関数から取り込むことで、局在プラズモンと相互作用する分子の光学応答を厳密に解析することに成功した。この計算手法をもとに、光誘起力顕微鏡(PiFM)の電磁場応答解析を行い、実験研究者と共同で銀基板上のペンタセン分子膜のPiFM実験測定に成功した。また、分子に働く光圧や回転トルクを評価することができ、単一分子レベルのエナンチオ選択的光トラッピングの可能性や、光ピンセットと薄層クロマトグラフ（TLC）を組み合わせた新しい化学分析手法「プラズモンTLC法」についても、本研究で開発した理論的解析を通じてその機能を実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果として、原子スケールの分解能を持つPiFMを用いて、単一分子の電子遷移や光学応答を精密に観測・解析することが可能となった。さらに、局在プラズモン中のキラル分子の光学応答を解析し、単一分子レベルでのエナンチオ選択的光トラッピングの可能性を示したことは、化学および生物学分野における分子認識や分子操作の新しい方法を提供するのもであある。これらの成果から得られる知見はナノテクノロジー、化学分析、バイオテクノロジーの分野における基礎研究および応用研究の両面に寄与するものである。

研究成果

• [雑誌論文] Optical Imaging of a Single Molecule with Subnanometer Resolution by Photoinduced Force Microscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Yamamoto, Hidemasa Yamane, Nobuhiko Yokoshi, Hisaki Oka, Hajime Ishihara, Yasuhiro Sugawara
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 18 号: 2 ページ: 1724-1732
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c10924
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mapping electric field components of superchiral field with photo-induced force (2024)
  • 著者名/発表者名: Yamane Hidemasa、Hoshina Masayuki、Yokoshi Nobuhiko、Ishihara Hajime
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 160 号: 4 ページ: 044115-044115
  • DOI: 10.1063/5.0179189
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enantioselective optical trapping of single chiral molecules in the superchiral field vicinity of metal nanostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamane Hidemasa、Yokoshi Nobuhiko、Ishihara Hajime、Oka Hisaki
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 31 号: 9 ページ: 13708-13708
  • DOI: 10.1364/oe.482207
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Size- and Shape-Dependent Separation of Multinary Quantum Dots with Plasmonic Thin-Layer Chromatography (2023)
  • 著者名/発表者名: Akiyoshi Kazutaka、Maeda Yui、Yamaguchi Naoko、Kameyama Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki、Yamane Hidemasa、Ishihara Hajime、Torimoto Tsukasa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 128 号: 2 ページ: 908-918
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c06531
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Near-Field Circular Dichroism of Single Molecules (2023)
  • 著者名/発表者名: Hidemasa Yamane, Nobuhiko Yokoshi, Hisaki Oka, Yasuhiro Sugawara, and Hajime Ishihara
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 31 号: 3 ページ: 3415-3426
  • DOI: 10.1364/oe.476011
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Local Spectroscopic Imaging of a Single Quantum Dot in Photoinduced Force Microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Junsuke Yamanishi, Hidemasa Yamane, Yoshitaka Naitoh, Yan Jun Li, and Yasuhiro Sugawara
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 120 号: 16 ページ: 161601-161601
  • DOI: 10.1063/5.0088634
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optical gradient force on chiral particles (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamanishi Junsuke、Ahn Hyo-Yong、Yamane Hidemasa、Hashiyada Shun、Ishihara Hajime、Nam Ki Tae、Okamoto Hiromi
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 号: 38
  • DOI: 10.1126/sciadv.abq2604
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of plasmonic thin-layer chromatography for size-selective and optical-property-dependent separation of quantum dots (2022)
  • 著者名/発表者名: Torimoto Tsukasa、Yamaguchi Naoko、Maeda Yui、Akiyoshi Kazutaka、Kameyama Tatsuya、Nagai Tatsuya、Shoji Tatsuya、Yamane Hidemasa、Ishihara Hajime、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: NPG Asia Materials 巻: 14 号: 1 ページ: 64-76
  • DOI: 10.1038/s41427-022-00414-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optical force mapping at the single-nanometre scale (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Yamanishi, H. Yamane, Y. Naitoh, Y. J. Li, N. Yokoshi, T. Kameyama, S. Koyama, T. Torimoto, H. Ishihara, Y. Sugawara
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 3865-3865
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24136-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-molecule laser nanospectroscopy with micro-electron volt energy resolution (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Imada, M. Imai-Imada, K. Miwa, H. Yamane, T. Iwasa, Y. Tanaka, N. Toriumi, K. Kimura, N. Yokoshi, A. Muranaka, M. Uchiyama, T. Taketsugu, Y. K. Kato, H. Ishihara, Y. Kim
  • 雑誌名: Science 巻: 373（6550） 号: 6550 ページ: 95-98
  • DOI: 10.1126/science.abg8790
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Resolution Measurement of Molecular Internal Polarization Structure by Photoinduced Force Microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Yamane, N. Yokoshi, H. Ishihara
  • 雑誌名: Applied Science 巻: 11（15） 号: 15 ページ: 6937-6937
  • DOI: 10.3390/app11156937
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Theory of Single Molecular Near Field Circular Dichroism by Photo-induce Force Microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Hajime Ishihara, Hidemasa Yamane, and Nobuhiko Yokoshi
  • 雑誌名: The 11th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META2021), Proceedings 巻: - ページ: 325-325
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 複数の遷移を考慮した単一分子の光誘起力顕微鏡像の解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 田村 守, 山根 秀勝, 石原 一
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Theory for single molecule imaging with photo-induced force microscopy: A comparative study of phthalocyanine molecules (2024)
  • 著者名/発表者名: Mamoru Tamura, Hidemasa Yamane, Hajime Ishihara
  • 学会等名: 14th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
  • 国際学会
• [学会発表] プラズモン-分子複合系の統合的理論手法の構築と先端的PiFMの理論研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 山根 秀勝
  • 学会等名: プラズモニック化学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Theory for Spectral Analysis of Photo-induced Force Microscopy of Single Molecule (2024)
  • 著者名/発表者名: Mamoru Tamura, Hidemasa Yamane, Hajime Ishihara
  • 学会等名: The 16th Pacific Rim Conference on Laser and Electro-optics (CLEO-PR 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] 走査プローブ探針を用いた単一分子の光圧操作の理論 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山根 秀勝, 余越 伸彦, 今田 裕, 金 有洙, 石原 一
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 走査プローブ探針近傍の局在プラズモンによる単一分子光マニピュレーション (2023)
  • 著者名/発表者名: 山根 秀勝, 余越 伸彦, 今田 裕, 金 有洙, 石原 一
  • 学会等名: 第34回光物性研究会
• [学会発表] 走査プローブ顕微鏡を用いた 光圧による光学応答測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山根秀勝, 岡寿樹
  • 学会等名: ナノプローブテクノロジー第167委員会105回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] キラルプラズモニックナノ構造体による単一キラル分子のエナンチオ選択的光トラッピングの理論 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山根秀勝, 余越伸彦, 石原一, 岡寿樹
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Interplay between plasmonic resonance and microscopic nonlocality of nanomaterials (2022)
  • 著者名/発表者名: Hajime Ishihara, Hidemasa Yamane, and Nobuhiko Yokoshi
  • 学会等名: The 13th Asia-Pacific Conference on Near-Field Optics (APNFO13)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretically Proposed Near-field Circular Dichroism of Single Molecules by Photo-induce Force Microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Hajime Ishihara, Hidemasa Yamane, and Nobuhiko Yokoshi
  • 学会等名: International Conference on Frontier Materials (ICFM 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ［第6回薄膜・表面物理分科会論文賞受賞記念講演］光誘起力顕微鏡法によるナノスケールでの光圧マッピング (2022)
  • 著者名/発表者名: 山西絢介, 山根秀勝, 余越伸彦, 鳥本司, 石原一, 菅原康弘
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] キラル勾配力による単一分子のエナンチオ選択的な光圧捕捉 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山根秀勝, 余越伸彦, 石原一, 岡寿樹
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] キラルな金ナノ微粒子に働く光勾配力の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山西絢介, Ahn Hyo-Yong, 山根秀勝, 橋谷田俊, 石原一, Nam Ki Tae, 岡本裕巳
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 金属ナノ構造近傍のsuperchiral fieldによる単一キラル分子のエナンチオ選択的な光圧捕捉の理論 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山根秀勝, 余越伸彦, 石原一, 岡寿樹
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Observation of the optically forbidden transition excitation beyond the long-wavelength approximation by photoinduced force microscopy: A theoretical study (2021)
  • 著者名/発表者名: Hidemasa Yamane, Nobuhiko Yokoshi, and Hajime Ishihara
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Single-molecule precise laser nanospectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Imada, Miyabi Imai-Imada, Kuniyuki Miwa, Hidemasa Yamane, Takeshi Iwasa, Yusuke Tanaka, Naoyuki Toriumi, Kensuke Kimura, Nobuhiko Yokoshi, Atsuya Muranaka, Masanobu Uchiyama, Tetsuya Taketsugu, Yuichiro K. Kato, Hajime Ishihara, and Yousoo Kim
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] Theory of Single Molecular Near Field Circular Dichroism by Photo-induce Force Microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Hajime Ishihara, Hidemasa Yamane, and Nobuhiko Yokoshi
  • 学会等名: The 11th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 局在プラズモン場による単一キラル分子の光圧選別の理論解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山根秀勝, 余越伸彦, 岡寿樹, 石原一
  • 学会等名: 第32回光物性研究会
• [学会発表] 局在プラズモン場と相互作用する単一分子に働く光圧の定量的理論解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山根秀勝, 余越伸彦, 岡寿樹, 石原一
  • 学会等名: 2021年 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 光誘起力顕微鏡による光圧分光マッピング (2021)
  • 著者名/発表者名: 山西絢介, 山根秀勝, 余越伸彦, 鳥本司, 石原一, 菅原康弘
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会