2021年度岡山理科大学プロジェクト研究推進事業

マルチモーダル顕微鏡技術を駆使した生体内ナノ空間機能解析

理学部化学科・教授　酒井誠（代表者）

理学部化学科・講師　高橋広奈

愛媛大学大学院・教授　朝日剛

愛媛大学大学院・講師　石橋千英

本研究の背景と目的

「分光学」は光を使って分子の性質を調べるもので、分子の事を詳細に知ることができる。しかしながら、それは、溶液や気相のような均一系の「もの」を観察している場合であって、様々なものが混じっている「もの」、例えば、細胞を観察した場合、分光スペクトルの測定は可能であるが、細胞内のどこに、どの分子がどれだけいるのかを明らかにすることは出来ない。「顕微鏡」はというと、「もの」の位置や形が非常に良くわかる点では他の追随を許さない。しかし、その「もの」の中身がどのような分子で構成されているのか、何が入っているのかを知ることは全く出来ない。そこで、私たちは「分光学」と「顕微鏡」の両者を融合させたら、分子の事も形の事もわかる新しい領域が開拓できるのではないか？と考え、本プロジェクトを着想した。

本プロジェクトでは、岡山理大・酒井らが開発した赤外超解像顕微鏡技術と愛媛大・朝日らが開発した時間分解光学顕微鏡技術を駆使し、マルチモーダル顕微鏡として利用すれば、ナノ空間領域において、分子の構造および反応ダイナミックス観察を実現し、新たな「ナノ空間機能解析」法の確立が可能と考えた。

2021年度の研究計画

　マルチモーダルとは、Multi（複数）とModal（様式）を組み合わせた造語で、複数の、複数の形式の、複数の手段による、などの意で近年使われ始めている。マルチモーダル顕微鏡は、多機能な情報処理能力を有する顕微鏡として認識されつつあり、本研究においても顕微鏡のマルチモーダル化は研究推進の鍵である。2021年度は各チームが所有する顕微鏡のマルチモーダル化を推し進める。

（岡山理大）赤外超解像顕微鏡

　岡山理大チームでは、汎用型光学顕微鏡をベースに高い空間分解能で試料観察が可能な赤外イメージング機能を加えたマルチモーダル顕微鏡の開発を推進する。まず第1に、振動和周波発生（VSFG）法（2次の非線形光学効果）を顕微鏡技術に応用することで、試料内部の界面近傍の分子やキラル分子の分布・配向情報を分子種選択的に抽出可能の手法として確立する。第2に、四光波混合（4-wave）法を顕微鏡技術に応用した赤外超解像顕微鏡を開発する。4-waveは３次の非線形光学効果であるため、界面から離れたバルクからの信号が強く観測される。これは、生体試料中の特定の分子種の含有量（濃度）に比例する情報を抽出できる可能性を示す。よって、２種類の赤外超解像顕微鏡を駆使することで、生体試料内部の特定の分子種の選択的観察を実現し、分布・配向・濃度を含めた精密な分子構造解析を目指す。

（愛媛大）時間分解光学顕微鏡

　愛媛大チームでは、汎用型光学顕微鏡をベースとして時間分解吸収顕微鏡および時間分解蛍光顕微鏡の2種の機能を加えたマルチモーダル顕微鏡の開発を推進する。時間分解ポンプ−プローブ法を基盤とするため、分子の反応ダイナミックスの実時間観察に優れる。まずは、反応中間体の吸収に対してプローブ光の波長と時間を自在に選択することで、時間分解吸収顕微鏡の手法確立を行う。次に、反応中間体からの発光現象に着目し、発光波長と時間（寿命）の観察を実現する。この２種類の時間分解光学顕微鏡を駆使することで、高い分子選択性を有する精密な反応ダイナミックス解析を目指す。

2022年度の研究計画

　岡山理大チーム、愛媛大チームとも基本的には、2021年度の研究を継続して推進するが、本研究成果をベースとした今後の展開・発展を考慮に入れ、アウトプット側に関連する下記の１〜３の項目も併せて推進する。

１．マルチモーダル顕微鏡の性能評価

２．分子情報抽出の検討

３．新規顕微鏡法・新規計測法の開発

　以上の計画により、将来の新規顕微鏡法・新規計測法の開発に繋げたい。

進捗状況

岡山理大チームにおける赤外超解像顕微鏡のマルチモーダル化は既に成功した。図に2種類の顕微鏡による羽毛内部β-ケラチンの観察結果を併せて示すが、VSFG法、4-wave法ともにシグナル光、可視光、赤外光の順に偏光の組み合わせは、XXY、YYXの2組で観察した。VSFG法では試料内部の界面近傍のβ-ケラチンを選択的に観察されており、顕著な偏光依存性が観察されたことから界面近傍のβ-ケラチンは一様に配向していることもわかる。一方、4-wave法では偏光依存性がほとんど観察されていない。これは、界面から離れたバルク部分のβ-ケラチンが4回転周期構造であるという過去の報告と矛盾しない結果である。