2014 Fiscal Year Annual Research Report
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14J00295
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
白神 慧一郎 京都大学, 農学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | テラヘルツ分光 / 全反射減衰分光法 / 複素誘電率 / 植物細胞 / 水素結合ネットワーク / 水の構造化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，テラヘルツ分光を用いてキセノンが圧入された際に生じる水分子の構造化を評価し，植物中における水の構造化が細胞の生理状態に与える影響に新たな知見を見出すことを目的としている．そこで本年度は，主に①テラヘルツ分光を用いて水 – 疎水基の相互作用を定量的に評価するためのプラットフォーム構築，および②テラヘルツ分光を用いた植物細胞測定の最適化に取り組んだ．
解析プラットフォームの構築：キセノンのような疎水性分子が水中に導入されると，水分子はその表面で氷のような構造を形成することが知られている．この水の構造化は水素結合の安定化に由来すると推測されているが，従来の実験的手法では水の水素結合ネットワークを直接的に評価することが困難であったため，分子レベルで疎水基周辺の水分子がどのような動的振る舞いを示しているかは十分に理解されていない．そこで，疎水基を含むモデル試料としてアミノ酸水溶液とポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(P-NIPAAm)水溶液のテラヘルツ分光を実施し，分光情報を解析する手法を最適化することで疎水基周辺の水素結合ネットワーク定量的な評価を試みた．その結果，アミノ酸やP-NIPAAm中に含まれる疎水性メチル基(-CH3)周辺では2個の水分子が動的に拘束されており，それらは通常の水に比べてより氷に近い配置を有することが明らかになった．
テラヘルツ分光を用いた植物細胞測定：全反射減衰フーリエ変換分光法を用いてタマネギ細胞単層の分光測定を行った．その結果，植物細胞のテラヘルツスペクトルはセルロースなどの生体分子の由来する吸収ピークを示さず，水と同様のスペクトルの形状であることが明らかになった．これは植物細胞が多様な構成要素から成り立っているにもかかわらず，テラヘルツ帯のスペクトルにはそれらが寄与せず，水の状態のみを選択的に反映していることを示唆している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該研究において，テラヘルツ帯の複素誘電率に基づき植物細胞中における水の構造化の程度を定量的に評価するためには，テラヘルツ帯における複素誘電率から水の情報を抽出するための解析技術の構築と，キセノンにより細胞内水が構造化した植物細胞を正確に測定するための測定システム立ち上げと測定ノウハウの取得が必要不可欠である．その中でも，平成26年度には主にテラヘルツ帯の分光情報から水の動的状態を解析するためのプラットフォームを構築するという課題に大きな成果を挙げ，その新規性が故に5本の論文を投稿するに至った．一方，植物細胞のテラヘルツスペクトル計測に関しては，測定基板との接触性や細胞間の個体差(細胞壁の厚みや含水率など)といった誤差要因により十分な測定精度を確保できているとは言い難い．そのため，本年度は安定して植物細胞を測定するための試行錯誤を行い，最終的にキセノンを圧入した植物細胞の測定を行えるようになることを目指す．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はフーリエ変換分光法を用いて植物細胞のテラヘルツ分光測定を行ったが，フーリエ変換分光ではテラヘルツ波の振幅減少のみを測定するため，Kramers-Kronig変換のような計算過程を経なければ測定試料の複素誘電率を導出することができない．しかし，光源にテラヘルツパルスを用いるテラヘルツ時間領域分光法では振幅減少と同時に位相変化も得ることができるため，直接的に試料の複素誘電率を求めることができ，より詳細な解析が可能になると期待できる．そこで，現在はパルス幅10フェムト秒のチタンサファイアレーザーを2光軸に分岐させて一方をテラヘルツ発生用の光伝導アンテナに，そしてもう一方をテラヘルツ検出用の光伝導アンテナに導くことでサブピコ秒のパルス幅を有するテラヘルツパルスを発生／検出できる測定系の構築に取り組んでおり，平成27年度にはテラヘルツ時間領域分光システムを実際に稼働させ，植物細胞の複素誘電率を測定するに足る精度の向上および安定化を図る予定である．
また，植物細胞中の水を構造化させるために最適なキセノン封入圧と温度の検討を行い，テラヘルツ時間領域分光法を用いてキセノンが圧入した植物細胞の複素誘電率測定を実施する．これにより，キセノン圧入の有無，つまり細胞中における水の構造化の有無に由来するテラヘルツスペクトルの有意差が見出せるか検証を行い，サンプルとする植物細胞の再検討やさらなる測定系の改善を図る．
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