Non-intrusive measurement of intercellular ions distribution by total internal reflection mapping method between vibration modes and hydrogen bonding of water molecules

采用全内反射映射法非侵入式测量水分子振动模式与氢键之间的细胞间离子分布

基本信息

批准号：
20K20431
负责人：
佐藤洋平
金额：
$ 16.64万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、分子動力学シミュレーションでさえも不可能であった、電解質溶液における水分子およびイオンの動態を、潜在的に困難と思われてきた全反射ラマン顕微法（ラマン分光法およびラマン散乱光イメージング法）の開発により解明を行う。そして、細胞内液への適用を試みて、イオン介在による水分子動態の空間分布の解明を実験的に実現することを目的としている。イオン介在による水分子からの微弱なラマン散乱光には、様々なノイズが含まれており、国内外の過去の研究においては、ノイズを完全に除去し、水分子動態を精確に明らかにした例は皆無であった。昨年度まで、様々なノイズの要因の特定、そして除去を行い、本年度は、下記の水分子およびイオンの動態を明らかにした。１．バルク領域を対象とした体積照射ラマン顕微法、そして界面極近傍領域を対象とした全反射ラマン顕微法により得られたラマンスペクトルの新たな解析法の提案を行った。具体的には、イオン介在による水分子の水素結合状態変化に特化したMCR法、濃度変化に応じたイオンそのもののスペクトル抽出に特化したSCスペクトル法、そしてイオンに引き寄せられる水分子に特化したRD-SCF-H2O法である。２．イオン介在による水分子の振動モード変化は顕著ではなく、解析対象としては不向きであることが明らかとなった。一方、水分子の水素結合状態は、MCR法を適用することにより、イオン種、イオン濃度、対象領域に応じて顕著に変化していることが明らかとなった。３．SCスペクトル法による、イオンそのもののスペクトル抽出した結果、イオン種および対象領域に応じて顕著に変化していることが明らかとなった。４．本研究では、イオンに引き寄せられる水分子の数を、「水分子誘引数」と新たに定義し、RD-SCF-H2O法を適用することにより、イオン種、イオン濃度、対象領域に応じて顕著に変化していることが明らかとなった。

在这项研究中，我们研究了电解质溶液中水分子和离子的动力学，即使使用分子动力学模拟，使用全内反射拉曼显微镜（拉曼光谱和拉曼散射光）也是不可能的，这被认为是潜在的困难。这将通过成像方法的发展来阐明。目的是通过尝试将该方法应用于细胞内液，通过实验阐明离子介导的水分子动力学的空间分布。来自离子介导的水分子的弱拉曼散射光包含各种噪声，而日本和国外过去的研究已经显示出完全消除噪声并准确阐明水分子动力学的例子。直到去年，各种噪声因素被识别并消除，今年，水分子和离子的以下动力学得到澄清。 1.我们提出了一种新的拉曼光谱分析方法，通过针对体区域的体辐射拉曼显微镜和针对非常靠近界面的区域的全内反射拉曼显微镜获得。具体来说，MCR方法专门研究离子介导的水分子氢键状态的变化，SC光谱方法专门提取响应浓度变化的离子本身的光谱，而SC光谱则专注于被离子吸引的水分子。这就是 RD-SCF-H2O 方法。 2.很明显，由于离子干预而引起的水分子的振动模式变化并不显着，因此不适合作为分析目标。另一方面，通过应用MCR方法，揭示了水分子的氢键状态根据离子种类、离子浓度和目标区域而显着变化。 3.使用SC光谱提取离子本身的光谱的结果表明，光谱根据离子种类和目标区域而显着变化。 4.在这项研究中，我们将被离子吸引的水分子数重新定义为“水分子吸引力数”，通过应用RD-SCF-H2O方法，我们将能够清楚地看到发生了变化在。