前回はコロナウイルス関連で滞りましたが、今までの続きです。引き続き、2019年度の14号目のネイチャーのハイライトより。
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分光法：近接場光学による原子レベルの分解能
Nature 568, 7750
2019年4月4日
化学的性質も細胞機能も同じように、構造変化に基づいている。そうした構造変化を駆動する分子の内部振動を直接可視化するには、これまでにない分解能の分光法が必要である。この分解能は、探針増強ラマン分光顕微鏡法によって実現されると見込まれており、この手法を用いてサブ分子分解能で個々の分子が画像化され、分子振動の直接可視化が実現に近づいている。今回J Leeたちは、極低温超高真空環境において精密制御可能な接合部を用いて探針増強ラマン分光顕微鏡観察を行い、単一分子内の基準振動の画像を初めて記録し、振動によって駆動される電荷や電流に起因する分子内分極をマッピングしている。
NEWS & VIEWS p.36
LETTER p.78
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この論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌では、「分光学：振動する分子のスナップショット」と題され、見出しにおいては、「分光撮像法は標準的な光学撮像技術より1000倍優れた分解能に達している。今回ついに、これまでコンピューターモデルでしか見られなかった分子の振動モードがこの手法で明らかになった。」と取り上げられました。
フルテキストを直訳しますと・・・・
振動する分子のスナップショット
となり、見出しを直訳しますと・・・
分光イメージング手法は、標準の光学イメージング手法の限界よりも1,000倍優れた解像度に達し、以前は計算モデルでしか見られなかった分子の振動モードを明らかにします。
となり、本文を直訳しますと・・・
標準的な光学顕微鏡の分解能は数百ナノメートルに制限されており、これは非常に低すぎてオングストロームスケールの原子運動を観察できません。光学的手法の進歩と電子顕微鏡法の組み合わせにより、解像度は着実に15 nm[1]まで、さらには1 nm[2]まで下がっています。これは、分子の内部構造を解決するのに十分です。Lee ら[3]は、自然界に書いて、振動分子の動きを画像化するために使用する、オーングストロームスケールの解像度を実現するためのさらなる技術開発について報告しています。
原子間のすべての結合が小さなばねであるかのように、分子は振動します。特定の分子の振動運動は、すべての原子が同じ周波数で振動する多くの振動パターンの線形重ね合わせとして表すことができます。これらのパターンは通常モードと呼ばれます。ノーマルモードでの振動運動は、1つの化学結合の伸長を単に含むか、または分子内のすべての原子を含む可能性があります。量子力学は、ノーマルモードが量子化されていることを示しています—それらは明確に定義されたエネルギー値を持っています。
分子の典型的な振動エネルギーは25ミリエレクトロンボルトから0.5エレクトロンボルトの範囲です。これらは、分子がどのように光を吸収するかを調査するか（赤外分光法を使用）、または分子による光の「非弾性」散乱を観察すること（ラマン分光法）のいずれかで調べることができます。後者の場合、光子（通常、可視光レーザーからのもの）が分子の振動を励起するため、結果として生じる散乱光子のエネルギーは、入射光子よりも低くなります。この過程で失われるエネルギーはラマンシフトと呼ばれ、振動モードのエネルギーに正確に対応します。ラマンスペクトルは、ラマンシフトに対する散乱光の強度（ラマン強度）をプロットし、分子の多くの振動エネルギーを明らかにします。これらのスペクトルは、分子を識別するためのフィンガープリントとして使用できます。しかし、これまで、ラマン分光法はエネルギーと（偏光が使用されている場合）振動運動の一般的な対称性のみを明らかにすることができました。
ラマン分光法を顕微鏡と組み合わせて、たとえば表面上で、サブマイクロメートルの空間分解能で、ラマン散乱が位置によってどのように変化するかをマッピングできます。しかし、ラマン散乱は通常、最初は微量の分子を検出するために使用できなかった弱い効果です。これは、表面増強ラマン分光法[4]（SERS）の発見により、40年前に変化しました。
SERSは、通常は金または銀でできている金属ナノ構造と可視光の間の強い相互作用を利用します。この相互作用により、特に構造間のナノメートルスケールのギャップや細長い粒子の先端など、ナノ構造の表面に近い光の電磁界が大幅に増幅されます。したがって、これらの「ホットスポット」の位置に配置された分子からのラマン信号は、通常の100倍から10億倍以上の強度にブーストされます[5,6]。これにより、単一分子のラマンスペクトルを測定できるようになり、間違いなく分析化学の究極のツールとなります。
ただし、分子からの信号はホットスポットでのみ強化されるため、分子の集合の平均ゲインは、通常、ホットスポットで単一の分子に対して達成できるゲインよりも小さくなります。ターゲット分子をホットスポットに正確に配置するという課題は、多くの継続的な研究の主題です。
別のアプローチは、原子間力顕微鏡[7]（AFM）または走査型トンネル顕微鏡[8]（STM）の金属コーティングされた先端を使用してホットスポットを分子にもたらすことです。これは、先端増強ラマン分光法（TERS;図1）として知られている手法です。 。 AFMとSTMでは、チップがターゲットサンプルを通過し、チップとサンプルの間の力（AFM）を測定するか、電圧が印加されたときにチップとサンプルの間の電流を測定することによって画像が生成されます。 -（STM）。 STMでは、チップは平らな基板上にある対象分子の上に、オングストロームのスケールの精度で配置できます。
TERSでは、金属先端をレーザーで照射して、頂点に高度に閉じ込められたホットスポットを作成し、そこから分子のSERSスペクトルを測定できます。そのような実験はサブナノメートルの解像度[2]に達し、研究した分子の内部構造を解明するラマン強度のマップを作成しました。彼らはまた、わずかに異なるラマンマップが異なる振動モードに対して生成されたという食欲をそそるヒントを提供しました。
Lee他今では前例のない解像度で、ÅngströmスケールまでTERS画像を報告します。この進歩の鍵は、標的分子を基板にしっかりと固定することです。この場合、著者らは、ポルフィリンファミリーの有機分子を銅表面に固定しました。彼らは、顕微鏡の先端を分子の異なる領域の上に置くと、得られるラマンスペクトルが異なることを観察しました。与えられた振動エネルギーのラマン強度のマップをプロットすることにより、著者は関連する通常モードの運動に最も関与している原子の位置を明らかにしました。つまり、各振動モードのスナップショットを取得しました（図1）。
これらの実験は、そのような高解像度を実現できるメカニズムに関する疑問を提起します[9]。ホットスポットは通常ナノスケールサイズ以上であり、非常に小さなスケールで解像度を得る方法を説明することは困難です。さらに、表面増強ラマン散乱を説明する連続媒体の電磁気理論は、非局所的および量子効果が作用するサブナノメートルのスケールで崩壊します。金属表面と顕微鏡の先端の間に挟まれた分子の完全な量子化学モデルは、Ångströmスケールの解像度がどのように達成されるかを理解するのに役立ちます。
Leeと同僚のアプローチの一般的な使用には制限があります。実験は超高真空および極低温（6ケルビン）で行われますが、そのような条件はすべての科学者が利用できるわけではありません。他の問題は、分子と基質の特定のペアのみがオーングストロームスケールの解像度に到達するのに十分なアンカーを提供し、分子の振動モードが基質の影響を受ける可能性があることです。さらに、この手法は主に、平行な動きではなく、基板に垂直な動きに敏感です。
それにもかかわらず、これらの制限を克服することは、例えば生体分子のイメージングにおいてエキサイティングな機会を開く可能性があります。この超高解像度の方法と、超高速TERS測定を可能にするアプローチ[10]を組み合わせて、振動する分子の動画を記録することもできます。しかし、今のところ、振動モードを実験的にイメージできるだけで、以前は理論的な予測と視覚化に頼らざるを得なかった多くの分光学者が間違いなく喜ぶでしょう。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：NEWS & VIEWS p.36
Snapshots of vibrating molecules
本論文においては、日本語版本誌では、「分光法：原子レベルで閉じ込められた光による単一分子の基準振動の可視化」と取り上げられました。
フルテキストｗｐ直訳しますと・・・
原子閉じ込め光による単一分子の振動正常モードの可視化
となり、Abstractを直訳しますと・・・
分子の内部振動は、化学と細胞機能を支える構造変換を推進します。振動周波数は分光法で測定されますが、その可視化には光学系の回折限界よりもほぼ3桁小さいÅngströmスケールの空間分解能での顕微鏡検査が必要であるため、理論から通常の運動モードが推測されます[1]。金属チップを使用して光を集束し、表面増強ラマン効果[2]を利用して個々の分子からの信号を増幅すると、チップ増強ラマン分光顕微鏡法（TER-SM）[3,4]が必要なサブ分子空間分解能[5]に到達し、その光を確認します。ピコキャビティ内に閉じ込めることができ[6,7,8,9,10]、分子振動の直接可視化を予測できます[11,12,13]。ここでは、極低温超高真空走査型トンネル顕微鏡の正確に制御可能な接合部でTER-SMを使用することにより、量子トンネリング体制における先端原子と分子の間の原子間距離で、Ångströmスケールの分解能が得られることを示します[14,15,16]。プラズモンの[6,8,9,17]。単一分子内の振動スペクトルを記録し、通常モードの画像を取得し、振動によって駆動される分子内電荷と電流を原子的に解析します。私たちの分析は、原子論的近接場における光学のパラダイムを提供します。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：LETTER p.78
Visualizing vibrational normal modes of a single molecule with atomically confined light
Data availabilityによりますと・・・
この研究の結果を裏付けるデータは、論文内にあります。イチジクの実験的なソースデータ。 1〜4は用紙に付属しています。
究極に溜まりに溜まっているネイチャー。次回は、「生物多様性：キリマンジャロ山における生物多様性と生態系機能」を取り上げます。
※主治医に従って、無理しておりませんので、全体的に巡回当ブログ活動が大変遅れております。申し訳ございません。
