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本研究では発熱量の検出に光熱変換分光法の一種である熱レンズ法を用いて、低濃度の色素分子溶液を対象に、分子周囲のナノ空間内蓄熱量を計測する実験系の設計、過渡吸収による蓄熱量増加の確認と最大増幅率の実験的決定、分子種による増幅率の違いを検討した。
1. 三光波同軸の熱レンズ配置実験系の設計と試作。
ナノ秒パルス紫外レーザー光で最低励起S_1状態まで励起した分子にナノ秒パルス可視光を照射し、高励起S_n状態とS_1状態間の励起・脱励起を繰り返すことで、緩和に伴う発熱量を増幅し、He-Neレーザーを検出光とする熱レンズ法で信号を得た。この際、各レーザー光のビーム径と集光レンズを適切設定することで、S_1-S_n遷移の過渡吸収係数を算出できることを見出して最適化した装置を試作した。
2. 線形〜吸収飽和領域での過渡吸収を利用した蓄熱量の増加の確認と最大蓄熱量の算出濃度10nM〜10μMの稀薄な色素溶液を試料に、紫外光と可視光とをそれぞれ別々に励起した場合の信号強度(M1、M2)と、同時に2波長照射した場合の信号強度(M12)とを測定し、光強度・溶質の種類と濃度・紫外光と可視光の照射のタイミングなどの実験条件を変えて、増幅率[=Ml2/(M1+M2)]を実験的に検討した。
3. 分子を核とした溶媒内ナノ空間内への蓄熱量限に関する考察と応用
増幅率に及ぼす因子を検討し、増幅率を最大にする実験条件を2種類の試料系について決定した。最大10倍を越える増幅率を実現した。一般に困難かつ低濃度溶液ではできなかった過渡吸収係数の測定を実現した。基底状態の遷移が吸収飽和を起こした後でもS_1-S_n遷移を利用して発熱を増大させ得ることを見い出した。以上の成果は、溶液中の高励起状態分子の特性を調べる新しい物理、化学的手法として、蛍光に依存しない溶液中分子検出における高感度・高選択性実限の鍵として、今度の発展が期待できる。
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