マイクロ波誘電分光法による水の動的構造と生体物質の機能発現機構

利用微波介电谱研究水的动态结构和生物材料的功能表达机制

基本信息

批准号：
01J08615
负责人：
佐藤高彰
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

生体関連物質が機能発現可能な形態へ到達するための自己組織化機構の解明を目指し、これらに対し本質的であると考えられる、溶質分子の親水性と疎水性のバランス、立体構造、電荷の違いによる多様な物質と水との相互作用の多様性、すなわち疎水性水和、疎水性相互作用、静電相互作用の効果を、(1)マイクロ波及びミリ波領域の誘電分光法による分子やイオンのダイナミクス観測、(2)小角X線散乱を中心とした散乱法を用いた構造決定に加え、(3)動的光散乱、密度・音速の超精密測定等の力学・光学物性を多角的に組み合わせて検討した。(1)水を「生命現象の場」「機能性、選択性の源」と捉え、水素結合性に起因する階層的ダイナミクスの解明を行った。水のマイクロ波及びミリ波領域の超高精度誘電緩和測定を行い、サブTHz分光、赤外吸収の最新の結果と結合して50MHz-18THzのスペクトルから水分子の協同緩和、局所構造の緩和、分子間振動、束縛回転を詳細に議論し、誘電緩和の速い緩和モード(τ〜0.5ps)と光散乱(ラマン)の緩和モードが同じ起源を持つ事などを初めて明らかにした。(2)多様な水素結合液体混合系の系統的な緩和時間の分析から、水素結合アクセプターサイトの数密度と溶質分子内の親水基立体配置の空間相関の強さが、協同緩和(=水素結合ネットワークの組替え)のタイムスケールを決定付けるパラメータであり、水素結合の組換えに伴い、溶質分子の周囲で多数の水素結合を同時に切断する必要がある場合、協同緩和時間は劇的に遅くなることが分かった。(3)生体由来の両親媒性高分子が水中で形成する多様なナノ構造体構造と自己組織化機構に関する研究を親水基鎖長が異なるコレステロール誘導体を着目系として展開した。生体由来の両親媒性高分子が形成する、球状、棒状ミセルや、ラメラ、キュービック、ヘキサゴナル液晶等のナノ構造体の自己組織化機構を、相挙動と複数物性を密接に対応させて検討し、従来、極狭い濃度範囲でのみ現れると考えられていた中間相と言われる特殊な液晶相が広範な濃度領域で安定に存在することを明らかにし、中間相構造の濃摩変化や通常相への転移を詳細に追跡することが出来た。※本研究の遂行のため、2003年8月から約2ヶ月聞、ドイツRegensburg大とオーストリアGraz大に渡航し、海外研究機関の先端的装置を用した測定を行った。

我们的目标是阐明生物物质达到能够表达其功能的形式的自组装机制，我们的目标是研究溶质分子的亲水性和疏水性、3D结构和电荷之间的平衡，这些被认为是必不可少的由于这些机制的差异，各种物质和水之间相互作用的多样性，即疏水性水合、疏水性相互作用，除了静电相互作用的影响外，（1）在微波和毫米波区域使用介电谱观察分子和离子的动力学，以及（2）使用以小角度X射线散射为中心的散射方法确定结构， (3) 我们研究了机械和光学特性的多方面组合，例如动态光散射以及密度和声速的超精确测量。 (1) 将水视为“生命现象的场所”和“功能性和选择性的来源”，我们阐明了氢键引起的层次动力学。我们对微波和毫米波区域的水进行了超高精度介电弛豫测量，结合亚太赫兹光谱和红外吸收的最新成果，获得了水分子的协同弛豫、局域结构弛豫和局域弛豫。我们详细讨论了50MHz-18THz光谱的结构，并首次揭示了介电弛豫的快速弛豫模式（τ ~ 0.5 ps）和光散射的弛豫模式（拉曼）。相同的起源。 (2) 对各种氢键液体混合物体系的系统弛豫时间分析表明，氢键受体位点数密度与溶质分子中亲水基团构型之间的空间相关性强度是由协同弛豫(=氢这是一个决定键网络重组时间尺度的参数，如果由于氢键重组而需要同时破坏溶质分子周围的许多氢键，那么协同弛豫时间将大大减慢。。 (3)针对不同亲水基团链长的胆固醇衍生物，开展了生物两亲性聚合物在水中形成的各种纳米结构和自组装机制的研究。我们研究了由生物衍生的两亲聚合物形成的纳米结构（例如球形、棒状胶束、层状、立方体和六角形液晶）的自组装机制，其相行为和多种物理性质密切相关。我们揭示了一种被称为中间相的特殊液晶相，这种液晶相被认为只在较宽的浓度范围内出现，但实际上在较宽的浓度范围内稳定存在，并详细介绍了中间相结构的浓度变化和向正相的转变我能够追踪到它。 *为了进行这项研究，我从2003年8月开始前往德国雷根斯堡大学和奥地利格拉茨大学大约两个月，并使用海外研究机构的尖端设备进行了测量。