非線形ラマン分光干渉法を用いたキラル分子の立体構造解析
Stereochemical analysis of chiral molecules
by nonlinear Raman spectral interferometry（分子科学会推薦）

代表研究者 筑波大学

加納英明

University of Tsukuba

Hideaki KANO

協同研究者 東京大学

平松光太郎

The University of Tokyo

Kotaro HIRAMATSU

We aimed at developing a new Raman-based spectroscopic method for studying chiral molecules. Based on acoherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) process, which is one of the third-order nonlinear Raman effects, wedeveloped a new Raman optical activity (ROA) spectroscopic system. With the use of supercontinuum in visible
generated with a photonic crystal fiber pumped with both 532 nm and 1064 nm, multiplex CARS-ROA spectrum
covering the whole fingerprint region was obtained. In the visible excitation, CARS-ROA spectrum of (-)-β-pinene
showed higher contrast ratio of the chirality-induced signal to the achiral background than that of the previously
reported near-infrared CARS-ROA spectrum.

研究目的

数少ない手法として近年急速に発展してきている。

物質のキラリティーは、生命の発生、タンパク質振動スペクトルは可視、近紫外領域の電子スペクトの機能発現、サリドマイドの催奇作用など、化学・ルに比べ、分子振動に対応した数多くのピークをも薬学・生命科学の分野を横断する非常に重要な分子

つため、ROA や VCD では分子レベルの豊富かつ詳の構造情報であり、これまで様々な方面から研究が細な構造情報が得られる。しかしながら、ROA の信行われている。キラリティーを識別する一般的な分号強度は、測定されるラマン散乱光強度の 1/1000 程光手法として、可視及び近紫外領域の円偏光二色性度と非常に小さい。そのため、タンパク質水溶液の(Circular Dichroism: CD)及び旋光性(Optical Rotation:ような試料では、測定に 20 時間程度を要し、信号取OR)が挙げられる。しかしながら、これらの方法は得に困難を極める。そこで本研究では、ROA 分光の分子の構造情報に乏しく、間接的な知見しか得るこ感度を格段に高感度化するため、非線形ラマン散乱とが出来ない。これに対して、赤外領域のの一つである coherent anti-Stokes Raman scattering

CD(Vibrational Circular Dichroism: VCD)及び旋光分(CARS)過程を用いた新しい CARS-ROA システムを散(Vibrational Optical Rotatory Dispersion: VORD)、ま立ち上げ、ROA 検出感度の格段の向上を狙って研究た、ラマン分光を用いた光学活性測定(Raman Opticalを行った。

Activity: ROA)は、振動スペクトルに基づいた分子レベルの構造情報を得ることが出来る。特に、ROA は、研究経過小さなキラル分子の絶対立体配置の決定が可能なだ

本研究では、可視域白色レーザーという新しい光けでなく、DNA、 RNA、タンパク質、多糖類など源を用いることで、CARS を用いた全く新しい ROAの生体分子の水溶液中での豊富な構造情報を与えるシステムの構築を行った。

図 1 に可視白色レーザーを用いた実験装置を示す。
光源にはマイクロチップ Nd: YAG レーザー（浜松ホトニクス：パルス幅: 400 ps, 波長: 1064 nm, 繰り返し: 25 kHz, 出力: 600mW）を用いた。この光源からの光パルスを非線形光学結晶である LBO に集光し、第二高調波発生による波長変換を行った。波長変換後の可視光パルス（532 nm）と、基本波である近赤Fig. 3(a) CARS spectrum of (-)-β pinene (exposuretime: 1 hour), (b) CARS-ROA spectra of (+)-β
Fig.1. Experimental setup for CARS-ROAspectroscopy;
PCF: photonic crystal fiber.

pinene (red) and (-)-β pinene (green) (exposure time:
1 miniute)，(c) CARS-ROA spectra of (+)-β pinene(red) and (-)-β pinene (green) (exposure time: 1hour)，(d) CARS-ROA spectra of (-)-β pinene (deepred) using our previous setup using a near infra-red
laser source (exposure time: 1 hour)，(e) caluculated
result of CARS-ROA spectrum.
図 2 に示すような幅広いスペクトル成分を持つスーパーコンティニューム光（白色レーザー）を得ることに成功した。
発生させた白色レーザー光と、白色発生前に取り分けた可視光パルス（532 nm）とを用い、CARS 測

Fig.2. Supercontinuum (white-light laser) generation

定を行った。試料に入射するレーザー光の偏光は、with use of only visible (532 nm; green), only near

試料手前のグラン・テーラー プリズムにより平行にinfrared (1064 nm; red), and dual (532 nm and 1064 nm)セットした。発生した CARS 光の中で、レーザーのinput (purple). The dual input scheme give rise to

偏光と直交する成分がキラリティ由来の信号（キラbroadband supercontinuum generation.

ル CARS 光）である。この光強度は大変微弱であるので、高感度検出を目的として、類似の分光法でよく用いられている光へテロダイン検出法を採用した。

外光パルス（1064 nm）とを同軸に合わせ、光学遅延・すなわち、試料後のグラン・テーラー プリズムを入偏光を調整した後、フォトニック結晶ファイバー

射レーザーの偏光と直交する角度から僅かにずらし（photonic crystal fiber; PCF）に導入した。その結果、（その角度を θ と定義する）、レーザーの偏光と平行なアキラル CARS 光をローカル・オシレーターとした、近赤外域(1064 nm 付近)で得た CARS-ROA の結て導入した。キラル及びアキラル CARS 光は、その果を図 3(d)に示す。測定時間は図 3(c)と同じ 1 時間

後分光器に導入され、CCD カメラにより検出された。

であり、装置の性能向上は顕著である。図 3(e)には、

本研究では、測定スペクトルから CARS-ROA スペ

比 較 の た め に 計 算 結 果 を示 し て い る 。 計 算 に はクトルのみを抽出する方法についても、最適な方法

Gaussian 03 による DFT 計算を用いた。Minimumを探索した。以下に、その概要を述べる。一般的にenergy structure の 計 算 に は 、 B3PW91 及 び

は、θ =±0.5° における CARS スペクトルを測定し、aug-cc-pVDZ を、Raman 及び ROA の計算には B3LYPその差分を取ることで CARS-ROA スペクトルが得及び 6-31G**を用いた。また、スケーリングファクられる。しかしながら、試料そのものの ORD のたターとして 0.97 を用いた。実験結果と計算結果はよめ、上記の方法で計算した CARS-ROA スペクトルにく一致しており、本装置により ROA スペクトル測は、スペクトルに歪みが生じてしまう。この影響を定がアーティファクト・フリーで行えていることが取り除くため、以下に述べる解析手法を開発した。

わかる。以上のように、可視域白色レーザーを用いORD による影響（位相回転）を α とする。すると、ることで、世界初の可視 CARS-ROA システムの構築

CARS スペクトルは以下の様に書ける。に成功した。

I (θ ) ∝ sin (θ − α ) χ1111 + cos (θ − α ) χ 2111

2

したがって、 I (θ ) と I ( −θ ) との間の差スペクトルは近似的に以下の様に書き表せる。

I (θ ) − I ( −θ ) ∝ 2θα χ1111 + 4θ Re  χ1111* χ 2111 22

こ こで、 χ1111 及 び Re  χ1111 χ 2111  はそ れぞれ*

CARS 及び CARS-ROA に対応する。このうち第一項が、ORD により混入する成分である。この寄与を取り除くため、I (θ ) I ( −θ ) という形のスペクトルを2計算し、それを (θ − α ) (θ + α )  という形の関数

Fig.

4ComparisonRe  χ1111* χ 2111  χ1111

of
2spectral

profilesof

for visible (green) andnear infrared (red).

でフィットすることにより、 α の値を見積もった。
その結果を以下の式に代入し、歪みを取り除いた
CARS-ROA スペクトルを得ることに成功した。

θ +α  θ −α 4θ Re  χ1111* χ 2111  I (θ ) −  I ( −θ )  =θ − α θ +α 
2

次に、本研究で得られたスペクトルと、我々が近赤外光で得た CARS-ROA スペクトル（既報）との比較を行った。図 4 に結果を示す。信号強度は約 2 倍程度増強していることがわかる。これは、可視レーザーを用いたことによる、前期共鳴ラマン増強的な要因が考えられる。

結果・考察
本装置及び解析方法を用いて proof-of-principle 的実験を行った結果を図 3(a-c)に示す。試料は分子液体の β ピネン（赤：(+)、 緑(-)）であり、測定時間は図 3(b)， (c)でそれぞれ 1 分及び 1 時間である。比較のため、通常の CARS スペクトルを図 3(a)に、ま以上のように、可視光レーザーを用いた
CARS-ROA スペクトル測定装置を開発した。露光時
間 1 分でも、良好な信号対雑音比（ S/N 比）でCARS-ROA スペクトルを得ることが可能であることが示された。S/N 比が向上した本手法を用いることで、タンパク質・多糖類水溶液など様々な系に、キラル・ラマン分光が適用できる可能性を切り拓いon molecular chirality, 20th, Dec. 2013 (Kyoto).

た。
研究の発表

4.

（招待講演）加納英明，“白色レーザーを用いた口頭発表

生細胞・生体組織の多光子分光イメージング”，

1.

（招待講演）平松光太郎，“ヘテロダイン検出法

第 8 回表面科学研究会，2013 年 10 月 18 日，東によるアキラル・バックグラウンドフリーな光京活性測定法の開発”，第 5 回キラルサイエンス＆2.

3.

テクノロジーシンポジウム，2014 年 2 月 28 日
（東誌上発表京）

1.

Kotaro Hiramatsu, Hideaki Kano, and Takashi（招待講演）平松光太郎，“コヒーレントラマン

Nagata, “Raman optical activity by coherent

分光法で見る分子のキラリティー”，量子エレク

anti-Stokes

トロニクス研究会，2013 年 12 月 21 日（長野）interferometry”, Optics Express 21, 13515 (2013).

（招待講演）Kotaro Hiramatsu, “coherent Raman

DOI: 10.1364/OE.21.013515, 査読有

optical activity spectroscopy”, spectroscopic studies

Raman

scattering

spectral