ぶんせき

2021年 第 12 号 ( 通巻第 564号)

令和３年 12 月 5 日発行 (毎月 1 回 5 日発行)

昭和50年 3 月27日第三種郵便物認可

ISSN 0386-2178

12
2021

2022年3号から電子版に移行します（団体会員除く）
詳細は 2021 年第 7 号挟み込み頁および
ぶんせきホームページをご確認ください

日本分析化学会
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©2021 Waters Corporation. Waters および The Science of What s Possible は Waters Corporation の商標です。
日本ウォーターズ株式会社 www.waters.com［ 東京本社 ］〒140-0001 東京都品川区北品川 1 - 3 -12 第5小池ビル［ 大阪支社 ］〒532-0011 大阪市淀川区西中島 5 -14 -10 新大阪トヨタビル 11 F
TEL 0120-800-299

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A1

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ぶんせき 12 月号

掲載会社

索引

【ア行】

株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A3
東亜ディーケーケー

【マ行】

株 . . . . . . . . . . 表紙2
アジレント・テクノロジー

【ナ行】

株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A8
室町ケミカル株 エス・ティ・ジャパン. . . . . . . . . . . . . . . . . . A7


株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 表紙4
日本ウォーターズ

【ラ行】

【サ行】

株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5
日本分光

株 リガク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A1


株 島津製作所 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 表紙3
【ヒ行】

株 センシュー科学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A9

株 日立ハイテク. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A4
【タ行】

株 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A14
フロンティア・ラボ

株 ディジタルデータマネジメント . . . . . . . . A2


製品紹介ガイド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A10～11
図書案内 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A12～13

A9

A14

※価格はすべて税込です

化学分析・化学実験

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中井 泉・泉 富士夫編著
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原理/データ測定・読み方・活用/特殊な測定法と試料/リートベルト法/ RIETAN FP の使い方/ MEM ・
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朝

蛍光 X 線分析の実際 第 2 版
中井 泉編/日本分析化学会 X 線分析研究懇談会監修
B5 280 頁 定価 6,490 円（税込)
試料調製，標準物質，蛍光 X 線装置スペクトル，定量分析などの基礎項目を平易に解説し．食品中の有害元素
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B5 約 250 頁 39,600 円（税込)
長年香り分子解析を専門としてきた著者が，自身の研究の細部にわたって詳解．未公表の香料ごとの香気特性データも多数掲載．実験でのトラブルや疑問点などの解決策も多く掲載し，ニオイ分析，
香り商品開発者にとって多くのヒントとなる実務者向けの 1 冊．

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ヌ
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書
店

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ToF SIMS: Surface Analysis
by Mass Spectrometry 2nd edition
John C. Vickerman and David Briggs 著
B5 51,700 円（税込)
二次イオン質量分析法の装置と試料の取扱い，二次イオン形成のメカニズム，データ解析アプリケーショ
ン例など（Surface Spectra, Ltd.）．

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ン
トタ

ー

朝

マデ
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ジタ
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トタ

ー

図説 表面分析ハンドブック
日本表面真空学会編
B5 576 頁 定価 19,800 円（税込)
約 120 の手法を見開き形式で解説．実際の適用例を複数紹介し，その手法の特徴や主な適用先などをまとめ，一目で概要がわかるよう工夫．試料の種類や性質，
目的により適切な手法を選択するためのリファレンス．

Surface Analysis by Auger and X Ray Photoelectron Spectroscopy
David Briggs and John T. Grant 編 B5 51,700 円(税込)
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店
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DNA origami 入門基礎から学ぶ DNA ナノ構造体の設計技法
川又生吹，鈴木勇輝，村田 智共著
B5 変 264 頁 定価 4,730 円（税込)
従来のものづくりの方法論を根底から変革する・エ DNA origami に つ い て ， 一 か ら 解 説 し た 入 門 書 ．
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食品分野におけるメタボリックプロファイリング
～成分，産地，品質評価・向上～
福o英一郎監修
B5 326 頁 44,000 円（税込)
食の安全・安心・機能向上に繋がる分析技術として注目のメタボロミクスを実践的に解説．品質評価に活用され始めているフードメタボロミクス，その基盤技
術とプロファイリングへの実践事例を詳解．

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ー

機器分析

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化学一般・その他
エ “未来予測”による研究開発テーマ創出の仕方
ヌ 宗像基浩，羽田昭裕ほか 63 名
A4 約 500 頁
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本体価格 88,000 円（税込)ティ
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いかに変化の予測が難しくとも，変化には必ず“予兆”がある!!独自の視点で未来を読み，次なるヒットを見つけ出す！その着眼点と思考術に迫る!!

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報
協
会

Pyrolysis GC/MS Data Book of Synthetic Polymers
合成高分子の熱分解 GC/MS ハンドブック
Tsuge, Ohtani, Watanabe 著 エルゼビア 2011 刊 28,600 円(税込)
163 種の合成高分子の熱分解 GC/MS，また 33 種の縮合系高分子に
は反応熱分解 GC/MS も測定したデータ集．パイログラム，生成物の帰属，相対生成率，保持指標，質量スペクトルと構造式など．昇温過程での生成物のサーモグラムとその平均質量スペクトルも収録．

マデ 自動車室内の静粛性向上と，防音，防振技術，材料の開発
A4 646 頁
ネ ィ 近藤 隆，鷲巣雄洋ほか 60 名ジ
本体価格 88,000 円（税込)
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メル
次世代自動車に対応する振動騒音制御技術．吸音・デン
遮音特性，軽量性，耐久性，成形加工性との両立．自トタ 動車室内の音質，音響快適性評価，サウンドデザイン

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協
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マデ 【水】と機能性ポリマーに関する材料設計，最新応用ィ 田中 賢，金子達雄ほか 82 名
A4 927 頁
4,400 円（税込) ネジ
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質量分析に使われる用語の解説と誤用される用語
メル
水に溶かす，水に溶けないようにする，水を弾く，水デ
例．質量分析の書誌情報の集積．（ Global View Pub- ンに濡らす等の樹脂機能を得るためのポイント．海洋プラ
トタ スチック問題への対応や樹脂の水劣化機構にも言及．
lisher）

技
術
情
報
協
会

ー

生体ひかりイメージング 基礎と応用
星 詳子，山田幸生監修
B5 約 450 頁 59,400 円（税込)
光は生体に影響を及ぼさない安全なセンシング技術と言われる．本書は，光センシングに関する最先端の研究開発および臨床応用に関し，それらの基礎と応用としてのイメージング技術について，エキス
パートの執筆陣が初学者および専門家を対象として体系的に纏めた書．

・
エ
ス

ー

Mass Spec: Desk Reference, 2nd editionー

A12※価格はすべて税込です
第 2 巻 永久磁石の着磁と安定性
山本日登志，大橋 健
B5 117 頁 定価 2,670 円（税込・送料込)
第 1 巻「永久磁石の基礎と永久磁石測定方法」に引き続き
第 2 巻の出版販売開始中．第 2 巻は山本日登志，大橋健の共著．永久磁石の応用上重要な着磁特性や温度特性，熱減磁などの磁気特性の安定性を詳しく解説．目次と内容の確認や御購入の申し込みは弊社ホームページからお願いします．
ネオジコンサル；http://hitoshiad26.sakura.ne.jp

ネ
オ
ジ
コ
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サ
ル

掲載図書発行所
図書購入・問い合わせなどは，下記発行所に直接ご連絡ください．

※価格はすべて税込です
株


朝

店

〒162 8707

東京都新宿区新小川町 6 29

株 エヌ・ティー・エス


〒102 0091

東京都千代田区北の丸公園 2 1株
社

〒101 8460

東京都千代田区神田錦町 3 1

株 技 術 情 報 協 会
〒141 0031

東京都品川区西五反田 2 29 5

株 ディジタルデータマネジメント
〒103 0025

東京都中央区日本橋茅場町 1 11 8

ネ オ ジ コ ン サ ル 社〒604 8127

京都府京都市中京区菊屋町 524 アビーロードハウス 604

オ

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03(3260)7631
科学技術館 2 階

03(5224)5430
03(3233)0853

日幸五反田ビル
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03(5641)1771
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次回の図書案内は 2022 年 6 月号に掲載します．

A13

レーザーを用いる分析技術

光ピンセットの分析化学への展開
東海林

1

竜 也

は じ め に光により微小な物質の運動を制御し，自在に操作する技術を，光マニピュレーションと呼ぶ。この光マニピュ
レーションは，ノーベル物理学賞に二度輝いている。最初は 1997 年に， Steven Chu ら 3 氏に「 developmentsof methods to cool and trap atoms with laser light（レーザー光を用いた原子の冷却および捕捉法の開発）」の功績で授与された。このレーザー光による原子操作技術

図1

幾何光学的な光圧の考え方( a )鏡に光が垂直入射したとき，( b )透明物質に角度を持って光が入射したときは，レーザー冷却と呼ばれる。二度目は 2018 年に，
Arthur Ashkin 氏に「optical tweezers and their application to biological systems（光ピンセットとその生物系

光圧となる（図中 Fref）。このときの光圧は，約 7 pN とへの応用）」の功績で授与された。レーザー冷却も光ピ求まる。この力は日常生活では無視できる程に微弱であンセットも，後述する光の運動量を利用している点は共るが，後述するキネシンに代表されるように nm ～ nm

通している。本稿で扱う光ピンセットは，主として室温領域で働く力に光圧は十分匹敵する。

付近下で液相中または気相中の nm ～ nm オーダーの微粒子を捕捉・操作する技術として知られている。

この光圧を用いた微粒子の捕捉・操作技術を光ピンセットと呼ぶ。微粒子に対する光のふるまい方は，微粒

光ピンセットを用いることで，溶液中を浮遊する細菌子の大きさ（粒径）により変わる。そのため微粒子を球や細胞などの nm オーダーの微粒子を捕まえたり，空気体としその直径（粒径）を d，光の波長（真空中）を l

中の水滴や高分子微粒子を捕まえたり，操作したりできとすると， d ≫ l のときは幾何光学的に， d ≪ l （ Ray-る。光ピンセットの用途は多岐にわたるが，本稿では分leigh 散乱）のときは波動光学的に光ピンセットの原理

析化学の観点から，光ピンセットを用いた力計測法と顕を取り扱うことができる。幾何光学的に取り扱うと光ピ

微分光分析法に焦点を当てる。

ンセットを直感的に理解しやすく， Rayleigh 散乱領域

2

光圧の原理

では理論的な議論がしやすい。なお，その中間である d＝ l の Mie 散乱領域は複雑な電磁気学的取り扱いが必

光子 1 個がもつ運動量 p は，（hn/c） âu（h：プランク

要になるが，幾何光学および Rayleigh 散乱による原理

定数，n：光の周波数， c：光の速度， âu：光子の運動方から推測できる。光ピンセットを理論的に理解するため向を示す単位ベクトル）で与えられる。例えば，波長には，上記三つの領域における光のふるまい方を考えな

1064 nm の光子 1 個の運動量は， 6.23 × 10－28 N s と求

ければいけないが，定性的には同じ結論に至る。いずれまる。この光子が物質表面に衝突したとき，光子の運動の場合も，微粒子に働く光圧は，一つは光の空間的な強量が変化する。それに伴い物質には作用反作用の法則に

度分布により集光付近へと粒子を引き寄せる力である勾従い光の力（光圧）が作用する。例えば，市販のレーザー

配力（ gradient force ; Fgrad ）と，もう一つは光の進行

ポインターのような光出力 1 mW の連続発振型の可視方向に粒子を押し出す力である散乱力（scattering force ;レーザー光（光子数約 1015 個）が，鏡に垂直に入射しFscat）の二つに大別できる。この二つの足し合わせの結（図 1 ( a )の光線 ri ）完全に反射したとき（図中 rr ），運果，集光付近から光の進行方向に少しずれた位置にて粒動量変化は－ 2 p であり，この運動量変化分が鏡を押す

子は捕捉される。

Optical Tweezers in Analytical Chemistry.
696

ぶんせき 

 


2･ 1

粒子が波長より十分に大きい場合（幾何光学）

周縁部に向かうにつれ弱くなる。図 2( a )にはビームの図 1(b)に示すように，媒質（例えば空気や水）（屈折

中心部の光線 r1 と周縁部の光線 r2 を図示した。各入射率 nm）から 1 本の光線が透明材料（屈折率 np）に入射光（ ri, 1, ri, 2 ）の一部は界面で屈折し粒子内部に透過すしたときの光（光線 ri）の運動量変化を考える。材料とる。その後，粒子内部と媒質の界面でも屈折し，透過光

周囲の屈折率に差がある場合，光線の一部は物質表面でとして粒子から出射される（ rt, 1, rt, 2 ）。光線 r1 と r2 の反射（ rr），または入射角 ui と屈折率の違いに応じ屈折それぞれの運動量変化の総和 D p より，粒子には集光点

し，材料内部に透過（rt）する。このとき，スネルの法方向に向く勾配力が働く。このように，レーザー集光付

則より屈折角 ut を，フレネルの式より反射率および透近に粒子があれば，光の屈折に伴う勾配力は粒子がどの過率を求めると，光圧 F0 を式( 1 )より得られる。

位置にあっても集光方向に働く。焦点に粒子が位置する

F0 ＝

nm Pi
np Pt
nm Pr . . . . . . . . . . . . .
(1)
âu －
âv －
w
â
c
c
c

と，各光線の勾配力の総和はゼロとなり，焦点位置にて粒子は捕捉される。実際には，勾配力と同時に各界面での反射による散乱力も作用するため（反射光は図示してここで， nm, np は媒質および材料の屈折率， Pi, Pt, Prいない），勾配力と散乱力の総和により，粒子は集光位

は入射，透過，反射光の光出力， âu, âv, w
â は入射，透置から光の進行方向に少し押された位置にて捕捉される。

過，反射光の進行方向を示す単位ベクトルである。屈折による運動量変化に伴い粒子に働く力が勾配力，反射に伴い作用する力が散乱力に相当する（図 1( b )には描画を省略）。複数の光線が入射したとき，各光線の合力として光圧を求める。

2･2

粒子が光の波長よりも小さい場合（ Rayleigh
散乱）

光の波長よりも粒径 d が十分小さい物体（d  0.1l～
0.2l ）による光の散乱現象を Rayleigh 散乱という。粒

マイクロ粒子に作用する光圧の向きと大きさは，レー

子に光が当たると，光電場により粒子が分極する。粒径

ザーの波長，偏光，光出力や強度分布，捕捉対象物の粒が波長よりも十分小さい場合，分極を 1 個の双極子と径，形状，屈折率等に大きく依存する。ここでは，シンして近似できる（双極子近似）。双極子に働く光圧は，

プルな光捕捉例として図 2 ( a )に示すように，真球のマ

電磁波の空間的な勾配に起因する勾配力と， Rayleigh

イクロメートルサイズの誘電体を顕微鏡の対物レンズで散乱（双極子による一時的な光吸収とその後の輻射）に集光した 1 本のレーザー光を用いて光捕捉した場合を起因する散乱力に大別できる。この光圧 F をローレン考える（装置構成については 3 章で述べる）。光ピン

ツ力より導出すると，式( 2 )が与えられる。

セットで主に使用されるレーザー光は，強度分布が光軸を中心にしてガウス分布とみなせるガウシアンビームである。そのため，ビームの中心軸上で強度が最も強く，

F＝1&( E × B ) . . . . . . . . . . . . . . .
(2)a ;|E |2 ＋ a
2&t

ここで，a は粒子の分極率，E は光の電場，B は光の磁束密度，t は時間である。式( 2 )の右辺第一項は勾配力を，第二項は散乱力を表す。第一項は勾配力が分極率と光電場の 2 乗（∝光強度）の空間的な傾きに比例することを示している。勾配力は光強度が最大すなわち集光
方向に働き，集光位置でゼロとなる。第二項は， Rayleigh 散乱を起こす前後の双極子の運動量の時間変化を表している。入射光の一時的な吸収により双極子は入射光の運動量を受け取る。その後の入射光のエネルギーを全て放出する輻射過程に伴う運動量変化は，輻射光の向きが前後対称に分布するためゼロとなる。結果的に散乱
力は入射光の進行方向に向かう押す力として双極子に作用する1)。
光の波長よりも小さなナノ粒子や分子は，溶液中では熱揺らぎによりブラウン運動をしている。そのため，光圧のポテンシャルエネルギー U が，ブラウン運動由来のエネルギー kBT（kB：ボルツマン定数，T：絶対温度）
より十分高くなければ粒子は捕捉されない。この光圧の図2(a)光の波長よりも大きな微粒子の光捕捉，(b)光の波長

ポテンシャルエネルギーの近似解は，次式で得られる2)。

よりも小さな微粒子の光捕捉の模式図
ぶんせき 

 

697

C の温度上昇が報告されている3)4) 。
mW あたり 1 ～ 2 °2pnm r 3 (np/nm)2 － 1 2P . . . . . . . . . . . . . . .
(3)
U＝(np/nm)2 ＋ 2 pw 20c

温度上昇を避けるためには，高価ではあるが光源として

ここで c は光速［m/s］，r は粒子の半径［m］，P はレー

975 nm ）を導入したり，軽水の代わりに重水（ D2O ）ザー光の出力［ W ］である。 w0 はガウシアンビームのを使用したりすることで対応できる。

チタンサファイアレーザー（波長可変領域 l ＝ 725 ～集光位置におけるスポットサイズ（光強度が光の中心軸上の値から 1/e2 になる半径）である。 U ＞ 10 kBT のと

3･2

き，粒子を安定的に捕捉できる（図 2(c))。

正立型，倒立型顕微鏡どちらでも光ピンセットに使用

光ピンセットの実際

3

光学顕微鏡

できる。図 3 は倒立型顕微鏡を用いたときの概略図である。対物レンズの選定は極めて重要であり，強い光圧

現在では，光ピンセット装置が複数の会社から市販さを作用させるためには高開口数（1.2 以上）かつ透過率れており，光学部品を揃えて独自に装置を組まずとも実の高い対物レンズが用いられる。透過率の波長依存性は

験可能である。ここでは，光ピンセットに必要な構成部

対物レンズの種類によって大きく異なるため1)，不明な品について述べる。光ピンセット装置の概略図を図 3場合はメーカーに問い合わせる。

に示すように，連続発振型（ continuous wave ; cw ）のレーザー，光学顕微鏡，レーザー光を顕微鏡に導入する

3･3

力計測用位置検出センサー

ための光学部品，観察用のモニター（ CMOS カメラと粒子に作用する光圧を計測する機器として，高速高感コンピュータ）で構成される。これに加えて，顕微分光度デジタルカメラまたは四分割フォトダイオードがよく測定のための光源や検出器，光圧の力を計測するための用いられる。光ピンセットの力計測はこれら機器とソフ

位置検出（変位計測）器や，捕捉位置変更のためのガルトウェアが一体化となって市販されている。

バノミラーやピエゾステージなどを組み合わせることが
ある。

3･4

分光測定用構成部品

光捕捉した微粒子からの分光情報を取得するため，捕
3･1

レーザー

捉光源用のレーザーと同軸で可視レーザーをビームエキ

選定には，発振波長，光出力，集光特性，安定性が重スパンダーおよびミラーなどの光学部品を用いて導入す要である。これら条件を満たしかつ導入コストの観点かることがある。捕捉対象物からのシグナルを選択的に取ら， Nd : YAG や Nd : YVO4 などの DPSS レーザーが得するための共焦点光学系用のピンホール，および分光よく用いられている。筆者らは，捕捉物の顕微蛍光/ラ器と CCD などの検出器を用いる。

マン測定を行うことから，捕捉対象物の光吸収がない発振波長 1064 nm の cw レーザーを用いることが多い。

3･5

捕捉試料を主に水溶液に溶解させることが多いが，その以上の装置構成からなる光ピンセットを用いれば，あ際には溶媒の光吸収に伴う熱発生に注意する必要があ

らゆる物質を捕まえ操ることができるだろうか。原理か

捕捉対象物る。軽水（ H2O ）は，波長 1200 nm 近傍に OH 伸縮振ら考えると，( i )媒質（例：水や空気）よりも捕捉対象動の倍音に対応する吸収があるため， 1064 nm のレー物の屈折率が大きいこと，(ii)捕捉光（レーザー光）の

ザー光を集光すると，無輻射失活に伴う焦点位置の温度

吸収や反射が少ないこと，が捕捉条件として挙げられる

上昇が引き起こされる。集光条件によるが，光出力 100（(i), (ii)の条件を満たさない物質でも光学系を工夫することで捕捉できることもある）。この条件を満たせば，市販品でも多くの nm オーダーの物質は捕捉可能であろう。具体的には，赤血球などの細胞やポリスチレンやシリカからなる透明微小球などが挙げられる。さらに高価ではあるが，高出力（出射口で 3 W 以上）かつ高い集光特性を有するレーザー光と高開口数（1.2 以上）の対物レンズを選べば，金属ナノ粒子，量子ドットなどの無機材料や，グラフェンやカーボンナノチューブなどの炭素材料だけでなく，DNA や水溶性高分子鎖，さらに条件によってはタンパク質などのソフトマテリアルの光捕

図3

光ピンセット装置の概略図捉も可能となる。

レーザー光源，顕微鏡（対物レンズ），観察用カメラ，
光学部品（レンズ，ミラー）からなる

698

ぶんせき 

 


4

光ピンセットを用いた力計測法

モータータンパク質や DNA などの生体物質の力学応答計測に重要な役割を果たしている。この光ピンセットの

光ピンセットにより捕捉された微粒子が外力によりわ

生物物理への利用は快挙にいとまがないが，代表的な研ずかに捕捉位置からずれると，光圧により捕捉位置から究成果の一つであるモータータンパク質の運動測定につの変位 Dx に比例した力（復元力）がフックの法則に従いて紹介する（図 4(b))5)6)。

い粒子に作用する（図 4(a)）。復元力の大きさ F は，捕キネシンは，細胞内の物質輸送などに関与するモー

捉の強さを表すバネ定数（ stiffness または spring con-

タータンパク質の一種である。このキネシンは，アデノ

stant）k を事前に決定し，外力に伴う変位を位置検出セ

シン三リン酸（ ATP ）を加水分解しエネルギーを獲得

ンサーで計測することで，F＝－kD x から求めることがすることで，細胞骨格の一種である微小管に沿って移動できる。光ピンセットのバネ定数は，捕捉粒子の変位できる。このキネシンに結合させた微粒子を光ピンセッ

データをパワースペクトル密度（power spectrum densi-

トで捕捉し，基板表面上にある微小管にキネシンを接近

ty ; PSD ）解析や自己相関関数（ autocorrelation func-

させる（図 4 ( b )中( i )）。キネシンが微小管上を運動す

tion ; ACF）解析，平均二乗変位（mean squared dis-

ると，キネシンに結合した微粒子も追随して捕捉位置か

placement ; MSD）解析などにより決定する。バネ定数

らずれることになる。ずれ（変位）に応じて復元力が作の大きさは，捕捉対象物およびレーザー光に依存する

用する（図中( ii )）。ある程度キネシンが移動して微粒が，おおよそ 0.001 pN / nm ～ 0.2 pN / nm 程度となる。

子に作用する復元力が，キネシンの移動する力を上回る

例えば，水中に浮遊する直径 500 nm のポリスチレン微と微粒子は元の捕捉位置に引き戻される（図中（iii））。

小球を集光した近赤外レーザー光（光出力 1 W ）で捕

この一連の変位を計測し，バネ定数より復元力を求める

捉したとき，バネ定数は 0.16 pN/nm となる1)。

こ と で ，キ ネ シ ン 1 分子 が 行 う力 学 応答 を 議 論で き光ピンセットは，時間分解能・空間分解能の高い力計る。キネシンが復元力に逆らって発生する力は最大で約測法であり，様々な分野で活躍している。とりわけ，

7 pN であり，変位の経時変化からキネシンが約 8 nm

図4

ぶんせき  (a)光ピンセットによる力計測の概略図，(b)微小管上を運動するキネシンの力計
測の模式図
699

のステップを踏んで移動することがわかった6)。このような生体分子の力学応答計測として光ピンセットは生物物理の分野でよく利用されている。

5

光ピンセットを組み合わせた顕微分光分析

雑化する問題がある。
そこで光ピンセットにより貴金属ナノ粒子を捕捉すれば，水中に浮遊した状態のナノ粒子一粒の吸収や散乱ス
ペクトルが取得できる。光捕捉した金属ナノ粒子の散乱
スペクトルは，顕微鏡の暗視野コンデンサーを用いて得光ピンセットは光学顕微鏡を使用するため，従来の顕られる（図 5(a))8)。暗視野コンデンサーを光学顕微鏡

微分光法と組み合わせることも可能である。これによの照明光と試料セルの間に導入すると，試料からの散乱

り，光捕捉した物質の分光学的情報を取得できる。例え

光や回折光のみが対物レンズに入射するため，直径数

ば，顕微ラマン分光法と組み合わせることで，正常赤血nm のコロイド粒子も観察できる。暗視野コンデンサー

球とサラセミア症候群を引き起こす標的赤血球の識別と分光器，検出器を組み合わせることで，捕捉中の貴金を，染色標本を作製することなく光捕捉しその場（ in

属ナノ粒子一粒の散乱スペクトルが取得でき，ナノ粒子

situ ）分析することで達成できる7) 。本章では，光ピンの形状や配向変化，ナノ粒子の二量化過程などを分光学セットと各種顕微分光法を組み合わせた分析化学手法に的に追跡できる。さらに，波長可変型レーザーとガルバ

ついて実例を織り交ぜて紹介する。

ノミラーを用いた空間変調分光法により，光捕捉した金ナノロッド一粒の消光（＝吸収＋散乱）断面積の二次元

5･1

顕微吸収/散乱分光法

イメージングも報告されている（図 5(b))9)。

光ピンセットと顕微分光法を組み合わせた分析法は，微粒子一粒を個別選択的に評価する手法として優れてい

5･2る。本節では光ピンセットを用いた貴金属ナノ粒子の単各種顕微分光法の中でも，顕微蛍光分光法は感度と測粒子分析について述べる。金や銀などの貴金属ナノ粒子定の容易さに優れており，光ピンセットと組み合わせたは，特定の波長の光との強いカップリングにより，粒子報告例は多岐にわたる。例えば， YOYO 1 などの蛍光中の自由電子が集団振動を起こす。この現象を局在表面色素で染色した 1 本の DNA を直接光捕捉すると，捕捉プラズモン共鳴（localized surface plasmon resonance ;前は溶液中に広がった状態（コイル状態）をとっていた

LSPR）と呼ぶ。LSPR の共鳴波長は，ナノ粒子のサイDNA が，集光位置に徐々に引き寄せられるとともにコズ，形状，材質により大きく変化する。合成したナノ粒

ンパクトに折り畳まれたグロビュール状態へと変化する

子の光物性は，紫外可視吸光光度計により金属ナノ粒子

様子を観察できる10)。

顕微蛍光分光法の分散溶液を測定し評価できる。しかしながら，個々の従来の顕微蛍光法の注意点に加えて光ピンセットを組

ナノ粒子のわずかな粒径や形状の違いに鋭敏に反映するみ合わせた場合の注意点として，捕捉光源による捕捉対ため，従来法ではナノ粒子一粒の精緻な評価は容易では象物の光退色が挙げられる。捕捉光源（主に近赤外光）ない。溶液中ではなくガラス板などの支持体上に散布しの光強度（集光点で 106 W / cm2 オーダー）は，蛍光励

た貴金属ナノ粒子であれば，個々のナノ粒子の光物性も起光源（主に可視光）よりも遥かに大きい。そのため，評価できるが，この場合，支持体があることで共鳴波長高強度の近赤外光を励起状態の蛍光色素に照射すると，が長波長シフトすることや電磁場計算のモデリングを複蛍光色素による近赤外光の二光子吸収が起こりうる。こ

図5(a)光ピンセットと顕微散乱分光法を組み合わせた光学系の概要図8)，(b)光捕捉した金ナノロッド単粒子の消光スペクトル測定9)(Reprinted with permission from J. Phys. Chem. C 2019, 123, 23096
23102 and Nano Lett.

2015, 15, 77317735. Copyright 2019, 2015 American Chemical Society.)
700

ぶんせき  のような光退色を避けた実験系を組むことで，光ピン
セットと蛍光観察の併用が可能となる。市販品の光ピンセット装置には，蛍光励起光源と付随する光学部品がオプションで提供されている。
5･ 3

顕微ラマン分光法

ラマン分光法は赤外吸収分光法とともに振動分光法として分子の構造解析に広く利用されている。顕微鏡と組み合わせることで結晶面内の欠陥や成分分布のイメージ
ング，微小領域の不純物分析などが可能なことから幅広い分野で利用されている。非蛍光性物質でも検出できるため，光ピンセット法と組み合わせ捕捉対象物の構造解
析・成分分析に利用されている。溶液中で捕捉した微粒子だけでなく，空気中で光捕捉した水滴中の成分分析にも顕微ラマン分光法は用いられる11)。
一例として，温度応答性高分子の光捕捉と顕微ラマン
分光法による構造解析について紹介する。水溶液中のポリ （ N イ ソ プ ロ ピ ル ア ク リ ル ア ミ ド ）（ poly （ N isopropylacrylamide ; pNIPAm ））に代表される温度応

図6

光ピンセットにより形成した高分子液滴の顕微ラマン分
光分析12)(Reprinted with permission from J. Phys. Chem. B 2020,

124, 84548463. Copyright 2020 American Chemical
Society.)

答性高分子は，室温付近では水溶液に溶解している。この pNIPAm 水溶液を約 32 °C 以上に昇温すると，脱水和した pNIPAm がコイル・グロビュール相転移を経ローチとして，光圧による力計測法と顕微分光法を組みて，疎水性相互作用により高分子鎖同士が凝集すること合わせた捕捉物質の構造解析について紹介した。

で，水溶液中には高分子が凝集した高分子液滴を形成す

光ピンセットは，空間変調素子やラゲール・ガウシア

る。この相分離現象を理解するために，相分離後の高分

ンビームなどの光学技術の発展に伴い，ただ粒子を捕ま

子液滴を光ピンセットにより形成し，液滴中の高分子やえるだけでなく，複数の粒子を並べて操作したり，回転

水の構造を顕微ラマン分光法により知ることができる運動をさせたりすることもできるようになった。さら（図 6 ）。このとき使用する捕捉用光源は，近赤外レーに，プラズモンナノ構造体やフォトニック結晶などのナ

ザー光（l＝1064 nm）を使用する。集光位置の昇温（3ノフォトニクスを利用した新たな光ピンセットも報告さ･ 1 節）により高分子液滴を形成するとともに，光圧にれはじめ，光ピンセット技術は今後さらに発展を遂げる

より液滴を観測領域中に安定的に保持し，ラマン分光情であろう。本稿で述べた力計測法，顕微分光法の進展と報を選択的に取得できる。さらに事前に濃度既知の高分

ともに，これまでアクセス困難であったナノ粒子，分子子水溶液のラマンスペクトルから検量線を作成すること

レベルの個別選択的な分析手法のツールとして光ピンで，液滴中の高分子濃度を見積もることができる。筆者

セットが活躍することを期待している。

らはこの手法を用いることで，分子量や化学構造，立体構造が液滴中の高分子濃度に与える影響について調べている12)。

6

お わ り に本稿では，光ピンセットを用いた分析化学について述べた。日常生活では認知できないほど微弱な力である光圧は，ナノからマイクロメートルの世界では無視できない力となる。この光圧を利用した微粒子の捕捉・操作法
を光ピンセットと呼ぶ。本稿では，光ピンセットの原理
を光の波長よりも大きな微粒子を捕捉する場合と波長よりも小さな微粒子を捕捉する場合に大別して述べた。代
表的な光ピンセットは，1 本のレーザー光を顕微鏡の対物レンズで集光することで実現でき，その装置構成について紹介した。この光ピンセットの分析化学へのアプ
ぶんせき 

 

文

献

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Horibe, Y. Katsumoto, Y. Tsuboi : J. Phys. Chem. B, 124,
8454 (2020).


東海林

竜也（Tatsuya SHOJI）

神奈川大学理学部（〒259 1293 神奈川県
平塚市土屋 2946）。北海道大学大学院理学院化学専攻博士後期課程修了。博士（理学）。≪現在の研究テーマ≫ナノ構造を利用した光ピンセットの開発と分析化学への応用。

『ぶんせき』再録集 vol. 1 出版のお知らせ
ぶんせき誌の過去記事の有効利用の一環として，『ぶんせき』再録集 vol. 1 が出版されました。2011 年から 2020 年まで，10 年間分の〈ミニファイル〉の記事が詰まっています。
下記 10 章からなり，それぞれ 12 から 14 の話題が集められています。
1. 実験器具に用いられる素材の特徴，2. 分析がかかわる資格，3. 顕微鏡と画像データ処理，4. 最新の web 文
献検索データベース，5. ポータブル型分析装置，6. 分析化学と材料物性，7. 分析化学者のための多変量解析入門，

8.

土壌分析，9. サンプリング，10. 前処理に必要な器具や装置の正しい使用法。
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