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2016 年度 実施状況報告書

グラフェンプラズモニクスによる光合成単一超分子計測の確立

研究課題

研究課題/領域番号 16K13863
研究機関熊本大学

研究代表者

小澄 大輔  熊本大学, パルスパワー科学研究所, 准教授 (70613149)

研究分担者 原 正大  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 准教授 (50392080)
瀧尾 進  熊本大学, 沿岸域環境科学教育研究センター, 教授 (60188109)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワード光合成 / 超高速現象 / プラズモニクス / 単原子層ナノシート / 紅藻類 / エネルギー移動
研究実績の概要

植物・藻類・細菌類における光合成機能は、自然が創出した最もエネルギー変換効率の良いナノバイオ集積フォトニックデバイスである。このような生体分子の一分子分光計測は、その本質的な電子・エネルギー輸送現象解明に向けた急務な課題である。一方、アボガドロ数個の分子を計測するマクロ測定とは異なり、一分子計測では得られる信号強度が極限的に微弱であるため、適用範囲が高収率な発光性材料に限られてきた。本申請では単原子層ナノシート上に単離調整された単一光合成超分子を配置し、単原子層ナノシートによるプラズモン増強効果により微弱な一分子による信号を増強し、マクロ光学系を用いた単一光合成超分子の励起状態ダイナミクスの観測を目指す。
平成28年度の研究において小澄(代表者)は、時間相関単一光子検出 (TCSPC)モジュール及びシングルフォトンカウティングアバランシェダイオードを導入し、高感度かつ高い時間分解能を持つ蛍光寿命測定装置の構築を行った。構築した装置では10ピコ秒程度の時間分解能を持ち、単一光子レベルでの検出感度が達成された。試行測定として光合成色素であるクロロフィル分子の蛍光寿命を計測したところ、極限的微弱励起条件下でも数分程度で良質なデーターが得られることが確認できた。瀧尾(分担者)は、紅藻の大量培養に着手し、分光計測に必要な試料を提供するための準備を行った。原(分担者)は、グラフェン及び半導体特性を持つ単原子層ナノシートの作成を行い、それらの電気特性を計測することで、良質なナノシートであることを確認している。

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

当初の研究計画通り、平成28年度中に高感度検出を行える蛍光寿命計測装置の構築が行えた。試行測定として光合成色素であるクロロフィル分子の蛍光寿命を計測したところ、極限的微弱励起条件下でも数分程度で良質なデーターが得られることが確認できた。(研究代表者)。研究分担者らも光合成単一超分子計測を実現するための単原子層ナノシートの作成及び紅藻類由来光合成器官の調製を行った。

今後の研究の推進方策

平成29年度の研究では、上半期において単原子層ナノシート上に紅藻から単離調整した光合成器官を配置し、平成28年度に構築した高感度蛍光寿命計測装置を用いて、光合成単一超分子の計測を行う。単原子層ナノシート上に配置された光合成単一超分子の確認は、原(分担者)が所持している原子間力顕微鏡で行う。
平成29年度の下半期には、100フェムト秒光パルスを用いたポンプ・プローブ分光及び縮退四光波混合計測と単原子層ナノシートによるプラズモニクスを組み合わせることで、蛍光計測を行うことなく、光合成単一超分子計測を実現する。ポンプ・プローブ分光及び縮退四光波混合計測システムはすでに稼働状態にあるが、単一超分子の観測を行うために、試料への集光系の改良を行う。

次年度使用額が生じた理由

本年度行った時間相関単一光子検出法を用いた蛍光寿命計測装置の構築において、現有の光学素子を用いて想定以上の計測結果が得られ、新たな光学素子購入を必要としなかったため。

次年度使用額の使用計画

平成29年度に予定しているポンプ・プローブ分光及び縮退四光波混合分光計測装置を用いた単一超分子計測導入の際に、現有設備の改良の必要性が予測されるため、不足した光学素子の購入費とする。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 6件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Strategies to enhance the excitation energy-transfer efficiency in the light-harvesting system using the intra molecular charge transfer character of carotenoids2017

    • 著者名/発表者名
      Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Masahiko Iha, Kazuhiro Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell, and Hideki Hashimoto
    • 雑誌名

      Faraday Discussions

      巻: 198 ページ: 59-71

    • DOI

      10.1039/c6fd00211k

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Excited state properties of beta-carotene analogs incorporating a lactone ring2017

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Kosumi, Takayuki Kajikawa, Kazuhiko Sakaguchi, Shigeo Katsumura, and Hideki Hashimoto
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 19 ページ: 3000-3009

    • DOI

      10.1039/c6cp06828f

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Excited state properties of beta-carotene analogs incorporating a lactone ring2016

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Kosumi, Takayuki Kajikawa, Kazuhiko Sakaguchi, Shigeo Katsumura, and Hideki Hashimoto
    • 雑誌名

      Carotenoid Science

      巻: 21 ページ: 36-41

    • 謝辞記載あり
  • [学会発表] EXCITATION ENERGY TRANSFER AND DISSIPATION DYNAMICS OF CAROTENOIDS IN PHOTOSYNTHETIC ANTENNA SYSTEMS2017

    • 著者名/発表者名
      Hideki Hashimoto, Nao Yukihira, Hiroki Sato, Masazumi Fujiwara, Yuko Suga, Tomoko Horibe, Daisuke Kosumi, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell
    • 学会等名
      ICARP2017
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2017-03-02 – 2017-03-05
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] TRIPLET EXCITED STATE DYNAMICS OF CHLOROPHYLL A AS REVEALED BY SUB-NS PUMP-PROBE SPECTROSCOPY2017

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Kosumi, Tomoya Nishiguchi, Yutaka Amao, Richard J. Cogdell, Hideki Hashimoto
    • 学会等名
      ICARP2017
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2017-03-02 – 2017-03-05
    • 国際学会
  • [学会発表] RECONSTITUTION OF THE LIGHT-HARVESTING 1 COMPLEX FROM A PURPLE PHOTOSYNTHETIC BACTERIUM RHODOSPIRILLUM RUBRUM G9+ WITH FUCOXANTHIN2017

    • 著者名/発表者名
      Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Masahikot Iha, Kazuhiro Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell, and Hideki Hashimoto
    • 学会等名
      ICARP2017
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2017-03-02 – 2017-03-05
    • 国際学会
  • [学会発表] Tactics to enhance the excitation energy-transfer efficiency in the light-harvesting system using the intra-molecular charge transfer character of carotenoids2017

    • 著者名/発表者名
      Hideki Hashimoto, Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Masahiko Iha, Kazuhiro Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell
    • 学会等名
      Artificial Photosynthesis: Faraday Discussions
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2017-02-28 – 2017-03-02
    • 国際学会
  • [学会発表] Energy-transfer efficiency fucoxanthin reconstituted into the light-harvesting 1 complex from a purple photosynthetic bacterium Rhodospirillum rubrum G9+2016

    • 著者名/発表者名
      Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Chiasa Uragami, Daisuke Kosumi, Kazuhiro Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell, and Hideki Hashimoto
    • 学会等名
      The 23th International SPACC Symposium
    • 発表場所
      岡山
    • 年月日
      2016-11-21 – 2016-11-23
    • 国際学会
  • [学会発表] 誘起ラジカルを利用した高い光耐久性を有する新規ペンタセンの創生と機構及びそのスピン物性2016

    • 著者名/発表者名
      清水章皓、伊藤亮孝、小澄大輔、橋本秀樹、手木芳男
    • 学会等名
      第55回スピンサイエンス学会年会
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2016-11-10 – 2016-11-12
  • [学会発表] フェムト秒からマイクロ秒領域における光合成光保護過程の観測2016

    • 著者名/発表者名
      小澄大輔、堀部智子、杉崎満、橋本秀樹
    • 学会等名
      第10回分子科学討論会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-15
  • [学会発表] Using Excited-State Spin Dynamics of p-Radicals Toward Molecular Spintronics2016

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Teki, Akihiro Shimizu, Yusuke Kawanaka, Akitaka Ito, Daisuke Kosumi, Hideki Hashimoto
    • 学会等名
      ICMM2016
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2016-09-04 – 2016-09-08
    • 国際学会
  • [学会発表] サブナノ秒ポンプ・プローブ分光による励起三重項クロロフィルの観測2016

    • 著者名/発表者名
      小澄大輔、西口智也、橋本秀樹
    • 学会等名
      光合成セミナー2016
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2016-07-09 – 2016-07-10
  • [学会発表] サブ30フェムト秒分光手法による光合成アンテナLH2におけるエネルギー移動の観測2016

    • 著者名/発表者名
      小澄大輔、堀部智子、橋本秀樹
    • 学会等名
      光合成セミナー2016
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2016-07-09 – 2016-07-10
  • [学会発表] モデルカロテノイドにおける分子内電荷移動状態の解明2016

    • 著者名/発表者名
      小澄大輔、梶川敬之、坂口和彦、勝村成雄、橋本秀樹
    • 学会等名
      光合成セミナー2016
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2016-07-09 – 2016-07-10
  • [学会発表] カルボニル基を導入したb-carotene類縁体の光学応答2016

    • 著者名/発表者名
      小澄大輔、梶川敬之、坂口和彦、勝村成雄、橋本秀樹
    • 学会等名
      第30回カロテノイド研究談話会
    • 発表場所
      恩納村
    • 年月日
      2016-06-25 – 2016-06-26
  • [学会発表] 紅色光合成細菌Rs. rubrum G9+のLH1サブユニット型複合体とフコキサンチンを用いたLH1複合体の再構成2016

    • 著者名/発表者名
      行平奈央、須貝裕子、藤原正澄、浦上千藍紗、小澄大輔、伊波匡彦、坂口和彦、勝村成雄、橋本秀樹
    • 学会等名
      第30回カロテノイド研究談話会
    • 発表場所
      恩納村
    • 年月日
      2016-06-25 – 2016-06-26
  • [備考] 研究代表者ホームページ

    • URL

      http://phys.ipps.kumamoto-u.ac.jp/kosumi/index-j.html

  • [備考] 熊本大学 研究者プロフィール

    • URL

      https://kumamoto.pure.elsevier.com/ja/persons/daisuke-kosumi

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公開日: 2018-01-16  

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