生体光合成系コンポーネントと金ナノ粒子を分子接続した高感度光センサー
発表者
- 西原 寛（東京大学大学院理学系研究科化学専攻 教授）
- 山野井 慶徳（東京大学大学院理学系研究科化学専攻 准教授）
発表概要
東京大学の西原寛教授（大学院理学系研究科 化学専攻）のグループは、東京理科大学の井上康則教授グループ、名古屋大学の中里和郎教授グループと共同で、生体光電変換システムである光化学系I（以下PSI）に人工分子ワイヤーを差し込み、これを金ナノ粒子へ接続することにより、人工光合成システムを開発した（図1参照）。この生体－人工分子ハイブリッド系では、2種の界面活性剤を添加することによって水溶液中の金ナノ粒子上への電子の蓄積を可能にし、光電変換の高感度化に成功した。
発表内容
生体は、40億年にわたる自然淘汰と突然変異を経て、人工のシステムを遥かに凌ぐ極めて高機能なシステムを確立している。その1つが植物の光合成システムであり、その量子収率（注1）、すなわち光電変換効率はほぼ100%に達することがすでに明らかにされている。これを模倣した人工光合成システムでは、未だに高い光電変換効率は達成されていない。
本研究グループは、生体分子の機能をそのまま利用して、人工材料と組み合わせた新たな光電変換システムを構築してきた。具体的には温泉に生息している好熱性藍色細菌 Thermosynechococcus elongatus から光化学系I （PSI） を抽出し、電子伝達部位として機能しているビタミン K1を人工キノン型分子ワイヤー（注2）で置換し、そのワイヤーを電極に接合した系であり、光照射によりPSI内で発生した電子を分子ワイヤーを通して電極へと導き、外部信号として取り出すことを目論んでいる。
生体－人工分子連結体を、金ナノ粒子を介して金電極基板に固定した系では、金ナノ粒子の単電子移動（注3）特性を利用できれば、少数フォトンを電位変化として観測できる高感度光センサーが構築できる。しかし、誘電率の高い水溶液中では金ナノ粒子の単電子移動特性を観測することが難しい。西原らは最近、基板に単分子層固定した粒径の揃った金ナノ粒子が水溶液中であっても、2種の界面活性剤を加えることによって疎水的環境を生じ、単電子移動の観測ができることを見出した[1]。そこで、本研究では、この界面活性剤により金ナノ粒子周囲の疎水性を制御する手法を生体－人工分子－金ナノ粒子（直径1.7 ± 0.1 nm）連結体に適用することによって、これまでの報告例に比較して、光電変換応答の格段の高速化および高感度化（SN比の増大）に成功した。本研究で用いた電極は17 µm平方のマイクロサイズであるが、さらにナノサイズまで小型化することにより、室温で少数フォトンを検出できる系が達成できると期待される。
生体分子を利用することで、効率が高いだけでなく、生産コストも低く、環境負荷も低いというメリットも付随してくる。今後、本研究のような生体コンポーネントと分子ワイヤーの連結システムを他の新しい戦略に使用することも可能である。
参考文献
［1］Observation of Electrochemical Single-Electron-Transfer Events of Au Nanoparticles in Aqueous Solution in the Presence of Both Ammonium and Sulfonate Surface-Active Agents, M. Nakai, Y. Yamanoi, Y. Nishimori, T. Yonezawa, H. Nishihara, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47. 6699-6702.
この研究成果のもととなった研究経費
科学研究費補助金（文部科学省）新学術研究領域「配位プログラム」（領域番号2107）
発表雑誌
本研究成果は、英国王立化学会「Chemical Communications」誌Vol. 47, No. 15で2010年3月12 日にWeb公開され、Hot Articleに選ばれた。今週、NPG Asia Materials research highlight に“Photosensors: Going for gold ― Surfactants help boost sensitivity of gold nanoparticle light detector”として掲載予定。
- タイトル
- A photosensing system composed of photosystem I, molecular wire, gold nanoparticle, and double surfactants in water
- 著者
- Mariko Miyachi, Yoshinori Yamanoi, Yusuke Shibata, Hirokazu Matsumoto, Kazuo Nakazato, Masae Konno, Kohsuke Ito, Yasunori Inoue, and Hiroshi Nishihara
用語解説
- 注1 量子収率
- 光化学反応において、実際に化学反応を起こした光子の数と吸収された光（量）子の数との比。 ↑
- 注2 分子ワイヤー
- 電子を出す側と受け取る側の分子の間に適当な分子を結合すると、電子の移動速度が空間を飛び移るよりずっと速くなる。空間よりも電子を速く移動させることができる分子鎖を分子ワイヤーと呼ぶ。その電子移動速度は結合する分子の構造で大きく変化する。 ↑
- 注3 ナノ粒子の単電子移動
- バルク金属では表面上の原子が無数にあるのでキャパシタンスが大きく、一電子の出し入れによって表面ポテンシャルは殆ど変化しないが、表面積をナノサイズまで小さくすると、キャパシタンスの大きさが限られるので、一電子の出し入れによって、表面ポテンシャルが顕著に変わる。したがって電気化学的には、ナノ粒子の1電子酸化還元波が数百ミリボルトおきに現れるようになる。 ↑