1粒子ごとの超高速分光で、光捕集アンテナの”見えない違い”を可視化 〜 不均一性で分解する新しい過渡吸収顕微分光法を開発 〜

2026-04-13 基礎生物学研究所,生命創成探究センター,総合研究大学院大学,名古屋工業大学

自然科学研究機構基礎生物学研究所などの研究チームは、1分子レベルに迫る超高感度過渡吸収顕微鏡を開発し、光捕集アンテナの超高速ダイナミクスを1粒子ごとに解析する新手法を確立した。従来は平均化により見えなかった粒子間の不均一性に着目し、「不均一性分解超高速分光法」によって励起子の挙動の違いを可視化。Zn-HM色素会合体を対象に、同一系でも局所構造の差に応じて異なる励起状態やエネルギー移動が存在することを実証した。さらに蛍光など複数の光物性パラメータとの相関解析により、秩序の高低に対応した異なるドメインを識別。不均一性を積極的に活用することで、光合成の高効率機構や光機能材料設計の新たな指針を示した。

1粒子ごとの超高速分光で、光捕集アンテナの”見えない違い”を可視化 〜 不均一性で分解する新しい過渡吸収顕微分光法を開発 〜
図1:新たに開発した過渡吸収顕微鏡の模式図(左)と写真(右)。

<関連情報>

単一超分子光捕集アンテナの不均一性分解超高速過渡吸収分光法 Heterogeneity-Resolved Ultrafast Transient Absorption Spectroscopy of Single Supramolecular Light-Harvesting Antennas

Shun Arai,Shogo Matsubara,and Toru Kondo
The Journal of Physical Chemistry Letters  Published: April 2, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6c00164

Abstract

Photosynthetic light harvesting proceeds rapidly and robustly through precisely arranged pigment molecules. However, the molecular arrangements are not uniform because they exhibit structural heterogeneity among individual complexes and across spatial regions and undergo dynamic fluctuations. Such static and dynamic disorder can substantially perturb excitation dynamics. Here, we report a highly sensitive transient absorption microscope that integrates single-objective absorption microscopy, balanced detection, and lock-in amplification, enabling the quantitative analysis of heterogeneity and temporal fluctuations in excitation dynamics. By analyzing individual chlorophyll-derivative aggregates mimicking photosynthetic light-harvesting antennas, we demonstrated that two kinetic components with nearly identical time constants can be resolved based on differences in their time-constant distributions. We further quantified the photophysical properties of each component, including the absorbance change, fluorescence intensity, fluorescence efficiency, and fluorescence peak intensity ratio. These results establish an analytical framework for excitation dynamics that leverages not only the mean values of time constants but also their distribution profiles.

1701物理及び化学
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