二光子吸収を利用したバイオイメージングのための新規プローブ分子の開発

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現在、二光子励起蛍光を利用したバイオイメージング技術に使われているプローブはGFPやローダミン類に限られる。しかし、これらの分子の二光子吸収断面積(分子レベルでの二光子吸収の効率を示す物理量)は小さく、検出に十分な信号を得るために高濃度な溶液が必要となる。しかし、高濃度な溶液を用いると、濃度消光、生体へ悪影響を与える可能性などの問題がある。これらの問題を解決するために、低濃度でも十分な信号を与える高効率二光子吸収化合物を用いることが考えられるが、現在報告されている高効率二光子吸収化合物は疎水性の高いものがほとんどである。そこで本研究では、二光子バイオイメージング技術においてブレークスルーとなる役割を果たす、二光子吸収断面積が大きく、かつ、生体に親和性を持つ、または、高い水溶性を持つ分子の開発を目的とした研究を進めている。アズレンは、電子親和力が高く、イオン化ポテンシャル、共鳴エネルギーが低く、単純な炭化水素であるにもかかわらず双極子モーメントを持つなどの特徴的な電子的特性を持つ。これらの特徴に起因して、アズレン骨格を含む分子には、優れた非線形光学材料としての可能性が指摘されている。そこで、アズレニル基を大きな二光子吸収断面積を示す分子を多く排出している共役ケトン骨格に導入し、新規高効率二光子吸収化合物の開発を行なった。その結果、アズレン誘導体は、π電子数の等しい構造異性体であるナフタレンの共役ケトン誘導体よりも一桁も大きな二光子吸収断面積を示すことがわかった。さらに、アズレン誘導体の大きな二光子吸収断面積の起源は、これまで定説とされてきたアズレンのドナー性によるものではなく、アズレンを導入したことによりデチューニングエネルギーが小さくなったためであることを明らかにした。これに加えて、アズレン誘導体は応用上有用な二重共鳴と呼ばれる領域が生じやすいことも明らかにした。これらの知見に基づき、このアズレン誘導体のπ電子共役系を拡張し、遷移双極子モーメントを大きくする分子設計を施すことで、アズレン部位を有する高効率二光子吸収化合物を得ることができた。アズレン部位に更なる修飾を施すことで、生体に親和性を持つ高効率二光子吸収化合物が期待できる。