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2020 年度 実績報告書

天然光合成系におけるエネルギーフローに関する実験・理論解析

計画研究

研究領域光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
研究課題/領域番号 17H06437
研究機関関西学院大学

研究代表者

橋本 秀樹  関西学院大学, 理工学部, 教授 (50222211)

研究分担者 石崎 章仁  分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 教授 (60636207)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワード光合成 / 集光性色素タンパク質複合体 / 超高速レーザー分光計測 / コヒーレント分光 / エネルギー・フロー
研究実績の概要

本研究は,光合成集光メカニズムにおいて見出されてきた「電子系,振電系および振動系コヒーレンスが,実際の太陽光を用いた光合成反応および人工光合成における物質変換プロセスにおいて,どのような重要な意義を果たすのか?」という問いに対する解を求めることを目的としている。本年度は,以下の項目について取り組んだ。
1. カロテノイド欠損光合成細菌の光合成膜に共役鎖長の異なる種々のカロテノイドおよびB800バクテリオクロロフィルを導入することに成功した。この再構成光合成膜から,アンテナ色素タンパク質複合体と反応中心複合体を単離・生成し,フェムト秒時間分解分光計測を行うことにより,励起エネルギー移動ダイナミクスを解析した。
2. 紅色光合成細菌 Rsp.rubrum から単離・生成したLH1複合体のフェムト秒~サブミリ秒時間分解分光計測を行い,LH1複合体の持つ巧妙なエネルギー散逸機構を明らかにした。B880との一重項分裂による,超高速なカロテノイドの三重項励起状態の生成を見出した。
3. 本新学術領域研究で開発した,フェムト秒~サブミリ秒の時間範囲で測定可能な時間分解拡散反射分光計測装置を用いて,半導体光触媒のオペランド解析を達成した。水分解光触媒反応の実時間計測を行った。
4. 複雑分子系の動的過程を時間分解計測することを念頭に,量子もつれ光子対の非古典相関を利用する量子分光計測の理論研究に取り組んだ。(1)もつれ光子対の発生方法としてポンプ光にCWレーザーを用いたパラメトリック下方変換を,2)光学系としてHong-Ou-Mandel干渉計を用いて、時間分解スペクトルの定式化を行なった。もつれ光子対の非古典的相関を用いることによって,複数のレーザーパルスを用いる時間分解分光測定と等価な、あるいは,より選択制の高い測定が原理的には可能であることを見出した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究を遂行するための基盤となるフェムト秒レーザーシステムのフルリペア,および新規フェムト秒再生増幅レーザー装置(7 W クラス)の導入と立ち上げが完了した。サブ20フェムト秒NOPAと4光波混合測定系の構築ができた。また,NOPAの性能を最適化することにより,最短 11 fs のパルス幅を実現できた。試料調製に関しても,天然由来の光合成色素タンパク質複合体の調製に加え,種々のカロテノイド及びB800バクテリオクロロフィルを同時に再構築した人工の光合成色素タンパク質複合体の調製が可能となった。また,C班との共同研究を進めるために粉体光触媒試料に対して適用可能な,時間分解拡散分光計測装置の開発を行い,種々の半導体光触媒に対してその有用性を実証した。

今後の研究の推進方策

新規に導入された,平均出力 7 W を有する最新の再生増幅レーザー装置と光パラメトリック増幅装置を用いて研究を一挙に加速する。極超短パルスレーザーの波形を正しく評価するために,導入済みの高速スキャンFROG装置を活用する。この装置を用いて,リアルタイムでサブ20フェムト秒パルスの波形計測を行いながら,サブ20フェムト秒NOPAの性能を最適化する。この出力を用いて,縮退4光波混合(DFWM)測定が定常的に行えるように装置性能を改良する。この測定系にもう一台のNOPAからのサブ20フェムト秒ポンプ光を導入することにより,Pump-DFWM測定が行えるように測定系を改良する。これにより,励起状態におけるコヒーレント振動に関する情報を蓄積する。また,理論サイドからは,物質系と光子系のいずれをも量子力学的に取り扱う量子分光計測手法を発展させ,色素タンパク質複合体の分光スペクトルを計算することにより,時間分解能・周波数分解能の同時向上など光合成研究における有用性・優位性を明確にしていく。

  • 研究成果

    (30件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 3件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (5件)

  • [国際共同研究] University of Glasgow(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Glasgow
  • [国際共同研究] Institute of Microbiology(チェコ)

    • 国名
      チェコ
    • 外国機関名
      Institute of Microbiology
  • [国際共同研究] 吉林大学 物理学院(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      吉林大学 物理学院
  • [雑誌論文] “Where there is a will, there is a way”2021

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Hideki、Kudo Akihiko、Tamiaki Hitoshi
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 406 ページ: 112988~112988

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112988

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Insights into Photosynthetic Energy Transfer Gained from Free-Energy Structure: Coherent Transport, Incoherent Hopping, and Vibrational Assistance Revisited2021

    • 著者名/発表者名
      Ishizaki Akihito、Fleming Graham R.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 125 ページ: 3286~3295

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.0c09847

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A quantum thermometric sensing and analysis system using fluorescent nanodiamonds for the evaluation of living stem cell functions according to intracellular temperature2020

    • 著者名/発表者名
      Yukawa Hiroshi、Fujiwara Masazumi、Kobayashi Kaori、Kumon Yuka、Miyaji Kazu、Nishimura Yushi、Oshimi Keisuke、Umehara Yumi、Teki Yoshio、Iwasaki Takayuki、Hatano Mutsuko、Hashimoto Hideki、Baba Yoshinobu
    • 雑誌名

      Nanoscale Advances

      巻: 2 ページ: 1859~1868

    • DOI

      10.1039/d0na00146e

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photoprotective mechanisms in the core LH1 antenna pigment-protein complex from the purple photosynthetic bacterium, Rhodospirillum rubrum2020

    • 著者名/発表者名
      Uragami Chiasa、Sato Hiroki、Yukihira Nao、Fujiwara Masazumi、Kosumi Daisuke、Gardiner Alastair T.、Cogdell Richard J.、Hashimoto Hideki
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 400 ページ: 112628~112628

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112628

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A Synthetic Chlorophyll Dimer Appending Fullerene: Effect of Chlorophyll Pairing on (Photo)redox Properties2020

    • 著者名/発表者名
      Shinozaki Yoshinao、Uragami Chiasa、Hashimoto Hideki、Tamiaki Hitoshi
    • 雑誌名

      Chemistry ー A European Journal

      巻: 26 ページ: 8897~8906

    • DOI

      10.1002/chem.202000614

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of highly active hydrogen evolution reaction (HER) catalysts composed of reduced graphene oxide and amorphous molybdenum sulfides derived from (NH4)2MoOmS4-m (m = 0, 1, and 2)2020

    • 著者名/発表者名
      Sera Yoshihiko、Seto Shota、Isobe Kiyoshi、Hashimoto Hideki
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 401 ページ: 112793~112793

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112793

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis of Allene-Containing Apocarotenoids by Cross-Coupling Strategy2020

    • 著者名/発表者名
      Sakaguchi Kazuhiko、Nishioka Yuto、Kinashi Naoto、Yukihira Nao、Shinada Tetsuro、Nishimura Takahiro、Hashimoto Hideki、Katsumura Shigeo
    • 雑誌名

      Synthesis

      巻: 52 ページ: 3007~3017

    • DOI

      10.1055/s-0040-1707906

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of palladium ions on light-harvesting complex 2 lacking B800 bacteriochlorophyll a2020

    • 著者名/発表者名
      Saga Yoshitaka、Miyagi Kanji、Sato Hiroki、Uragami Chiasa、Hashimoto Hideki
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 398 ページ: 112593~112593

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112593

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Operando time-resolved diffuse reflection spectroscopy: The origins of photocatalytic water-oxidation activity of bismuth vanadate2020

    • 著者名/発表者名
      Miyasato Ryo、Fujiwara Masazumi、Uragami Chiasa、Sato Haruyuki、Yano Toshihiro、Hashimoto Hideki
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 395 ページ: 112493~112493

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112493

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energy transfer and primary charge separation upon selective femtosecond excitation at 810 nm in the reaction center complex from Heliobacterium modesticaldum2020

    • 著者名/発表者名
      Kojima Risa、Yamamoto Hayata、Azai Chihiro、Uragami Chiasa、Hashimoto Hideki、Kosumi Daisuke、Oh-oka Hirozo
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 401 ページ: 112758~112758

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112758

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reconstitution of carotenoids into the reaction center from the purple photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides using the chromatophores of the carotenoidless strain R26.12020

    • 著者名/発表者名
      Mitarai Mayu、Yoshida Marina、Yukihira Nao、Uragami Chiasa、Horiuchi Kota、Hashimoto Hiroki、Gardiner Alastair T.、Cogdell Richard J.、Hashimoto Hideki
    • 雑誌名

      Carotenoid Science

      巻: 24 ページ: 36-40

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Controlling the nonadiabatic electron-transfer reaction rate through molecular-vibration polaritons in the ultrastrong coupling regime2020

    • 著者名/発表者名
      Phuc Nguyen Thanh、Trung Pham Quang、Ishizaki Akihito
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: 7318.1-11

    • DOI

      10.1038/s41598-020-62899-8

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Generation of pseudo-sunlight via quantum entangled photons and the interaction with molecules2020

    • 著者名/発表者名
      Fujihashi Yuta、Shimizu Ryosuke、Ishizaki Akihito
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 2 ページ: 023256.1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.2.023256

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Probing excited-state dynamics with quantum entangled photons: Correspondence to coherent multidimensional spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Ishizaki Akihito
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 153 ページ: 051102~051102

    • DOI

      10.1063/5.0015432

    • 査読あり
  • [学会発表] 紅色光合成細菌 Rsp. rubrum のLH1 複合体へのβ-apo-8’-carotenalの再構成2021

    • 著者名/発表者名
      行平奈央、浦上千藍紗、藤原正澄、Gardiner Alastair T. Gardiner、Cogdell Richard J.、橋本秀樹
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
  • [学会発表] 三光子もつれ状態に関する二光子同時計数検出を利用する時間分解分光の理論2021

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、石崎章仁
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 光量子科学に基づく天然光合成系の動的過程に関する理論研究2021

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、石崎章仁
    • 学会等名
      新学術領域研究「革新的光物質変換」第3回公開シンポジウム
  • [学会発表] 量子科学技術に基づく複雑分子系における動的過程の理論的研究2021

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会 日本物理学会若手奨励賞受賞記念講演
    • 招待講演
  • [学会発表] Dynamics in Photosynthetic System: Quantum dissipation, vibrational assistance, and quantum light spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      A. Ishizaki
    • 学会等名
      The 3rd International Forum on Quantum Metrology and Sensing
    • 国際学会
  • [学会発表] 量子科学技術に基づく複雑分子系の観測と制御の理論2020

    • 著者名/発表者名
      石崎 章仁
    • 学会等名
      電気通信大学大学院情報理工学研究科講演会
  • [学会発表] 三光子もつれ状態を用いた非線形分光法の理論的研究2020

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、石崎章仁
    • 学会等名
      量子生命科学会 第2回大会
  • [学会発表] Probing Excited-state Dynamics with Quantum Entangled Photons: Two-photon Coincidence Counting Measurement with Three Entangled Photons2020

    • 著者名/発表者名
      Y. FUJIHASHI and A. ISHIZAKI
    • 学会等名
      The 3rd International Forum on Quantum Metrology and Sensing
    • 国際学会
  • [備考] 橋本研究室|関西学院大学生命環境学部 環境応用化学科

    • URL

      http://www.kg-applchem.jp/hashimoto/

  • [備考] 関西学院大学 教授 橋本秀樹 研究紹介

    • URL

      https://www.youtube.com/watch?v=rGjByEmZZfA

  • [備考] 橋本秀樹 | 知のスペシャリスト | 大学と企業を結ぶ、社会を繋ぐ

    • URL

      http://chi-sp.jp/008

  • [備考] 研究者詳細 - 橋本 秀樹 - 関西学院大学

    • URL

      http://researchers.kwansei.ac.jp/view?l=ja&u=200000169

  • [備考] 橋本 秀樹 (Hideki Hashimoto) - マイポータル - researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/read0212509

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公開日: 2021-12-27  

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