Observation of ultrafast structural change by time-resolved impulsive stimulated Raman spectroscopy

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GFP由来の蛍光タンパク質では、通常、発色団は中性型とアニオン型の両方の形で存在するが、LSSmOrangeでは、平衡が電子基底状態で著しく中性型に偏っている。ところが蛍光は光励起後にプロトン移動によって生成するアニオン型から発せられるため、吸収波長と蛍光波長の差が大きく、この特長を生かした生体イメージングに用いられている。LSSmOrangeの分光特性の元になっている励起状態プロトン移動の研究を行った。以前フェムト秒時間分解蛍光スペクトルによる研究が報告されているが、不明な点が多く残っていた。そこで、理研で開発した時間分解インパルシブ誘導ラマン分光を用いて励起状態プロトン移動ダイナミクスを振動分光学的に検討した。その結果、ダイナミクスのより確かな帰属が可能になり、LSSmOrangeでは2種の異なる基底状態が存在し、これらが励起されると、異なる時定数で励起状態プロトン移動が起った後、それぞれのアニオン型電子励起状態から蛍光が発せられていると結論された。また、時間分解インパルシブ誘導ラマン分光を用いて、金属ナノ粒子（凝集体）に吸着した色素分子のラマン活性振動をインパルシブ誘導ラマン分光を用いて時間領域で観測した。金属ナノ粒子の凝集体の接合点にはプラズモンが極めて大きい電場を作る“ホットスポット”が出来ることが知られており、ここに吸着した分子は電場増強効果の為に極めて大きいラマン散乱信号を与える（表面増強ラマン効果）。そこで、金属ナノ粒子としては金のナノ粒子、色素としてはtrans-1, 2-bis(4-pyridyl)ethene（BPE）を用いて実験を行い、BPEの指紋領域のラマン活性振動の核波束運動の観測に成功した。その結果、インパルシブ誘導ラマン測定で得られる時間領域の信号に対してもプラズモンによる10の5乗から6乗におよぶ極めて高い信号増強が初めて確認された。