2017 Fiscal Year Annual Research Report
On investigation of molecules selective transport at thermos-fluid gas-liquid interface by hybrid nonlinear optical imaging technique
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15H02223
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
佐藤 洋平 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (00344127)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 熱流動界面時空間分子選択的輸送現象 / 非線形ラマン散乱 / 非共鳴バックグラウンドノイズ / ハイブリットイメージング法 / 分子選択的輸送ダイナミクス理論 / エバネッセント波 / CARS / 平衡・非平衡領域 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱流動を伴う界面における分子の選択的輸送現象に関する新たなダイナミクス理論の体系化を目的として，分子の微視的挙動を計測可能とするハイブリット非線形ラマン散乱イメージング法の開発を行う．今年度の研究成果を下記に述べる．
１．前年度まで非共鳴バックグラウンドノイズとして処理していた現象が，異常ラマン散乱光であることが判ってきた．現在まで国内外の学術論文にて言及されていなかったので，異常ラマン散乱光の特定にはかなりの時間を要した．レーザ光をガラスに照射した際に，ガラスからのラマン散乱光が隣接している溶液に対しては励起光となるが，溶液からのラマン散乱光が，ガラス材質に依存して異常な散乱光となる．石英ガラスを用いた際には，異常ラマン散乱光は見られず，ホウケイ酸ガラスでは，3,000 /cm以下では，異常ラマン散乱光となることが明らかとなった．
２．前年度までは，ポンプ光およびストークス光を直接全反射させ，エバネッセント波を界面に照射し，界面極近傍に存在する分子からのCARS光を取得可能とするシステムの開発を行ってきたが，時空間の位相を合わせることが困難であった．そこでコリニア型ではなく，交差型を採用し，界面近傍にCARS光を発生させるシステムの開発を行った．これにより非共鳴バックグラウンドノイズの低減化を行い，高SN比が実現できた．本システムを低濃度電解質溶液に適用し，濃度空間分布計測が可能となった．
３．全反射させたレーザ光を石英ガラスに導入させ，溶液側にエバネッセント波を照射し，固体・液体界面極近傍に存在する溶液中の水分子の振動モード を直接計測可能とするシステムの開発を行った．界面極近傍の水分子の変角振動（2nu_2），対称伸縮振動（nu_1），そして非対称伸縮振動（nu_3）の割合を，バルクと比較検討し，変角振動の減少，そして対称伸縮振動の増加が顕著であることが明らかとなった．
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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
非線形ラマン散乱光を用いて，熱流動を伴う界面における分子の時空間選択的輸送現象の解明を目標として，異常ラマン散乱光に伴うノイズ評価法および低減法の提案，そして界面極近傍に存在する分子挙動の解明を行う計測システムの開発を行い，今年度の進捗状況は概ね良好である．
１．ラマン散乱光の光路を分岐可能となるイメージング分光器に，高感度を有するEM-CCDカメラを2台装着し，一方のカメラには水分子の非水素結合のラマンスペクトルのみを透過するバンドパスフィルタを装着し，もう一方には，4種類のバンドパスフィルタを装着して，異常ラマン散乱光のイメージング検出システムの開発を行った．石英ガラスおよびホウケイ酸ガラスを選定し，異常ラマン散乱光のイメージング結果と，それぞれのガラスからのラマンスペクトルとを比較し，ホウケイ酸ガラスを用いた際には，ラマンシフトが1,600～3,000 /cm付近において，異常ラマン散乱光が顕著であることを初めて明らかにした．これにより，非共鳴バックグラウンドノイズとともに，ガラス材質に依存する異常ラマン散乱光をも考慮しなければならないことが判った．
２．実験では界面極近傍に存在する分子挙動の計測結果は，バルクとそれ程変わらないと思われてきたが，深さ方向のエバネッセント波照射領域が百ナノ以下であっても，分子挙動はバルクとは異なっていることが明らかとなった．溶液中の水分子を対象とした際，界面極近傍の3つの振動モードの中でも変角振動および対称伸縮振動の変化がバルクとは異なっていることから，エバネッセント波およびラマン散乱光を併用することにより，界面極近傍に存在する分子挙動の把握は充分可能であることを示すことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
熱流動を伴う界面極近傍に存在する分子挙動を非侵襲にて計測が可能となることが今年度判り，更にノイズの特定および低減も可能となったことから，最終年度では，
１．分子そのものの挙動の時空間分布イメージングを試みる．イメージング分光器を用いて，ホウケイ酸ガラスの異常ラマン散乱光の検出が初めて可能となったことから，2台のイメージング分光器に3台のEM-CCDカメラを装着し，異なるラマンシフトからのラマン散乱光のイメージング化を行い，分子挙動そのものを捉えることを試みる．具体的には，温度および濃度時空間分布をイメージング化し，膨大なラマン散乱光の画像から，分子そのものの挙動のイメージング化を行う．最初に水分子を対象とし，次に，水分子のラマンスペクトルの影響が少ないイオンを選定して行う予定である．
２．ラマン散乱光は蛍光と比較すると微弱とは云え，カメラの露光時間やゲイン等を的確に設定すれば，例えば，水分子の動態，即ち，振動モードおよび水素・非水素結合そのものの計測は充分可能であることが判ってきた．そこで，電解質溶液，固体表面性状（親水性・疎水性）等のパラメータを多種選定し，ラマン不活性な分子やイオンの挙動を，水分子を介して，即ち，間接的に計測を可能とするシステムの開発を行う．具体的には，膨大なラマンスペクトルから特徴的な物理量を抽出，膨大なラマン散乱光の画像から多次元的な校正関数の導出を行う予定である．
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Research Products
(8 results)
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[Journal Article] Origin of blue shift of water molecules at interfaces of hydrophilic cyclic compounds2017
Author(s)
Tomobe, K., Yamamoto, E., Kojic, D., Sato, Y., Yasui, M. & Yasuoka, K.
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Journal Title
Science Advances
Volume: 3
Pages: e1701400
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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