テラヘルツ分光を用いた細胞評価

使用太赫兹光谱进行电池评估

• 批准号: 14J00295
• 负责人: 白神 慧一郎
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J00295/
• 关键词: テラヘルツ時間領域分光法; 水の分子間伸縮振動; 水素結合; 複素誘電率; キセノン; 水の構造化; テラヘルツ分光; 全反射減衰分光法; 植物細胞; 水素結合ネットワーク

本研究課題は，テラヘルツ分光を用いてキセノンが圧入された際に生じる水分子の構造化を評価し，植物中における水の構造化が細胞の生理状態に与える影響に新たな知見を見出すことを目的としている．平成28年度は，細胞の分光測定に適した全反射減衰テラヘルツ時間領域分光（THz TD-ATR）測定系を自作し，それを用いてヒト由来のHeLa細胞中の細胞内水を詳細に評価できることを示した．しかし，植物細胞にキセノンを圧入し，細胞内水の構造化を評価するには至らなかった．テラヘルツ帯の複素誘電率はブロードな誘電応答の重ね合わせで表現されるため，水の動態・構造に関する詳細な情報を正確に得るためには広帯域にわたる分光測定が必要不可欠である．そこで本研究では超短フェムト秒パルスを用いたTHz TD-ATR測定系の自作を行い，0.2~7.0 THzまで測定領域を広帯域化することに成功した．このTHz TD-ATR測定系の妥当性検証のため270-340 Kの温度範囲で純水の複素誘電率測定を行ったところ，昇温に伴って水の複素誘電率は大きくなる傾向が認められ，さらに270 Kの過冷却水が相転移して氷Ihに変化すると複素誘電率が非常に大きく変化するという結果が得られた．これらの結果は先行研究の報告例ともよく一致しており，本測定系で得られる複素誘電率が妥当であることを確認することができた．基板に接着して分裂し，細胞単層を形成するHeLa細胞はTHz TD-ATR測定に適した細胞試料であるため，構築したTHz TD-ATR測定系を用いてHeLa細胞の複素誘電率測定を行い，その結果から細胞内の水和状態ならびに水素結合環境の定量評価を行った．その結果，HeLa細胞内の水の約25 %が水和水として存在しており，残りの75 %の細胞内水は通常の水に比べて極めて無秩序な水素結合構造を形成していることが示された．

该研究主题旨在评估使用Terahertz光谱注射XENON时发生的水分子的结构，并找到有关植物中水结构对细胞生理状态的影响的新发现。在2016年，我们创建了一个用于总逆转衰减Terahertz时域光谱（THZ TD-ATR）的系统，该系统适用于细胞光谱，并证明可以详细评估人类来源的HELA细胞中的细胞内水。但是，将氙气注入植物细胞中，无法评估细胞内水的结构。 Terahertz带的复杂介电常数通过广泛的介电响应的叠加表示，宽带光谱测量对于准确获取有关水动力学和结构的详细信息至关重要。因此，在这项研究中，我们以自己的方式使用超短飞秒脉冲制作了THZ TD-ATR测量系统，并成功扩大了测量范围为0.2至7.0 THz。为了验证该THZ TD-ATR测量系统的有效性，在270-340 K的温度范围内测量了纯净水的复杂介电常数，并且发现水的复杂介电常数倾向于随温度的升高而增加，结果表明，当270 K的高冷水在270 K中变化阶段，并变化为冰ih时，复杂的型号变化很大，它会变化很大。这些结果与以前的研究中报道的示例非常吻合，并且有可能确认在该测量系统中获得的复杂介电常数是合理的。粘附于底物和划分形成细胞单层的HELA细胞是适合THZ TD-ATR测量的细胞样品，因此使用构造的THZ TD-ATR测量系统对HELA细胞进行了复杂的介电恒定测量，并对细胞内的水合状态和氢键环境进行了定量评估。结果表明，与正常水相比，剩下的75％的细胞内水中存在大约25％的水中水作为水合水，其余75​​％形成高度无序的氢键结构。

项目成果

微細気泡水の電気化学的特性の定量評価及び応用実験との相関について

微泡水电化学性能的定量评价及其与应用实验的相关性

• 发表时间: 2015
• 期刊: 混相流
• 作者: 江川達郎;大野善隆;後藤亜由美;横山真吾;生田旭洋;鈴木美穂;林達也;後藤勝正;間瀬崇史;上田義勝，徳田陽明，二瓶直登，杉山暁史，小川雄一，白神慧一郎
• 通讯作者: 上田義勝，徳田陽明，二瓶直登，杉山暁史，小川雄一，白神慧一郎

Evaluation of the Bulk Water dynamics inside HeLa Cells using Terahertz Time-Domain Attenuated Total Reflection Spectroscopy

使用太赫兹时域衰减全反射光谱评估 HeLa 细胞内的大量水动力学

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Shiraga;Y. Ogawa and N. Kondo
• 通讯作者: Y. Ogawa and N. Kondo

Hydrogen Bond Network of Water around Protein Investigated with Terahertz and Infrared Spectroscopy

• DOI: 10.1016/j.bpj.2016.11.011
• 发表时间: 2016-12-20
• 期刊: BIOPHYSICAL JOURNAL
• 影响因子: 3.4
• 作者: Shiraga, Keiichiro;Ogawa, Yuichi;Kondo, Naoshi
• 通讯作者: Kondo, Naoshi

タンパク質表層における水の動的・構造的特性の評価

蛋白质表面层水的动态和结构特性评估

• 发表时间: 2015
• 作者: 安藤 英伍;木下 俊則;白神慧一郎，近藤直，小川雄一
• 通讯作者: 白神慧一郎，近藤直，小川雄一