| 研究課題/領域番号 |
18H03915
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
原田 明 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (90222231)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 2色2光子励起 / 光熱変換 / 非蛍光性化学種 / 超高感度検出 / 紫外レーザー分光 / 多色多光子吸収 / ヘテロダイン検出 / 偏光依存性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、溶液系における溶質分子の光学的検出法に新基軸をもたらそうとするものである。重要性が高く微量な生体・環境関連の溶液中化学種の多くは、紫外域にのみ光吸収を持ち、非蛍光性である。それらを無修飾のままにて単一分子検出レベルで高感度検出できる汎用的な手法は未だ存在しない。そこで、非蛍光性化学種の無標識・超高感度検出法として申請者らが開発してきた深紫外光励起光熱変換ヘテロダイン計測法を発展させ、汎用性・高感度性・化学種選択性を併せ持つ非蛍光性化学種の無標識・超高感度検出技術開発に挑んでいる。技術的キーポイントは、多色多光子吸収を利用した深紫外吸収帯の光励起・検出の実現である。主に次の3項目を検討する。(Ⅰ) 2色2光子光熱変換現象の実証と基本特性把握。(Ⅱ) フロー系・2色2光子光熱変換顕微ヘテロダイン検出装置の開発。（Ⅲ）分離分析・検出装置としての開発、性能評価と応用。
全固体レーザーを励起光源としつつ多色多光子吸収を利用した深紫外吸収帯の光励起・検出の実現を検証してきた。開発した二色二光子励起光熱変換測定系では、紫外光から可視光に渡る波長域の光と、Nd:YAGレーザーの第2または第3高調波とを同期して用いて対象化学種を励起できる。355nmまたは532nmの光と可視域の波長可変光とを用いた2色2光子励起による熱レンズ信号測定、光音響信号測定に成功し、スペクトル測定につなげている。溶媒バックグラウンドの低減のための円偏光励起を検討して以降の実験指針を得ている。また、フェムト秒Ti:サファイアレーザー（再生増幅なし）による二光子励起光音響信号検出に成功し、スペクトル測定につなげている。温調付オートサンプラーを備えたHPLCを用いて分離検出特性を検討し、光熱変換ヘテロダイン検出による分離検出装置性能をまとめて報文とし、オンラインで公開した。
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| 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
本研究は、前述の3つの柱を掲げて研究を遂行してきた。5年計画の3年目であった令和2年度（2020年度）は、(Ⅰ) 2色2光子光熱変換現象の実証と基本特性把握［当初計画2018・2019年度予定］および、(Ⅱ) フロー系・2色2光子光熱変換顕微ヘテロダイン検出装置の開発 ［当初計画2019・2020年度予定］を継続するとともに、（Ⅲ）分離分析・検出装置としての開発、性能評価と応用 ［当初計画2020～2022年度予定］へのアプローチを開始した。
(Ⅰ) に関しては、多色多光子吸収を利用しての”深紫外吸収帯”の光励起・検出の実現をはかり、355nmの光と540～590nmの光、または532nmの光と650～780nmの光を用いての2色2光子励起による熱レンズ信号測定に成功し、さらに、簡易検出法として優れる光音響検出にも成功している。なお、フェムト秒Ti:サファイアレーザー（再生増幅なし）の不測の故障に対処するために当初計画を変更して、年度を超えて令和3年度（2021年度）まで検討を継続している。これにより、2光子励起測定においても、これまで報告例が無かった蛍光性を持たない化学種での二光子励起光音響スペクトルの測定に成功している。なお、不測の故障による計画の後れは、令和3年度末には解消されている。
(Ⅱ)および（Ⅲ）に関しては、分離・検出装置とすることを目的とした検討である。セミミクロHPLCの分離分析条件検討を進めるとともに、紫外光および深紫外光励起の光熱変換ヘテロダイン検出器を備えたセミミクロHPLCの分離分析性能をまとめて報文として公表する準備を進めた。さらに、従来、光熱変換検出との相性が悪いとされてきたグラディエント分離条件において検出性能を最適化すべく検討をすすめた。
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| 今後の研究の推進方策 |
連続発振、ナノ秒パルス、フェムト秒パルスの3種類の光源を用いた感度特性の検討を継続するとともに、フロー系の2色励起光熱変換顕微ヘテロダイン検出装置の試作機に改良を加えつつ、検出感度の検証を進める。令和2年度には、コロナ禍で移動の制限もある中、フェムト秒パルス光源の不測の故障に対応する必要が生じた。この間、連続発振光源とナノ秒パルス光源を用いて検討を進め、フェムト秒パルス光源の修理完了後に検討を補う形を取ることで計画の後れは令和3年度末には解消されている。この対応の中で、令和3年度に新たに入手可能となった半導体レーザーモジュールの導入が実現し、装置性能を向上する準備が整った。この新規連続発振光源を用いて感度特性を再度検討するのを最重要課題の一つとして進める。最適化性能を見極めた上で、フロー系の2色励起光熱変換検出装置として、励起用光源導入方法、多色励起のための光学素子配置、検出部セル形状等に必要な改良を加えた上で、完成を図る。並行して、ナノ秒、フェムト秒の2種類の光源を用いて感度特性の検討を継続しつつ、高感度光音響検出の可能性を検討する。
特に新規性の高い検討項目は、(1) 400 nm近辺の波長の光と532 nmないしは近赤外域の光との2色による2光子吸収の光音響検出、（2）非蛍光性化学種を対象とした2光子吸収スペクトル測定、（3）分離分析検出器としての2色励起光熱変換検出の実現、（4）光熱変換検出と分離性能の優れるグラディエント溶離との結合、(5) 分離分析用溶媒自体およびその中の不純物であると推定される化学種とターゲット化学種とで選択性を向上する条件［波長、タイミング、偏光特性、出力比］である。なお、本研究では引き継き、生体関連アミノ酸（20種類）、5種類の核酸塩基、多環芳香族塩素化物およびニトロ化物をターゲット化学種とする。
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