東大ら，ナノ構造で高感度にキラル分子を構造解析

東京大学大学は，シリコンでできたナノ構造を持つ「シリコンナノディスクアレイ」を用いたキラリティーを敏感に検出可能な新しい分光計測法を開発した（ニュースリリース）。

1970年代に実証された水溶液中のキラル分子の構造を解析する手法「ラマン光学活性（ROA）分光法」は，水溶液中のキラル分子のねじれ構造や挙動の研究に有効であり，X線結晶構造解析法や核磁気共鳴（NMR）分光法に比べて簡便さ（サンプル準備の手間，コスト面など）で有利となる。

しかし，ROA分光法の信号は，キラル分子における光と物質の相互作用が微弱であるため，原理的にラマン分光法のラマン信号よりも3～5桁弱くなってしまう。金属ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴（LSPR）がROA信号を増強するために採用されているが，ROA信号のアーチファクトに悩まされている。具体的にはLSPRによる光熱発生と，遠方場から近接場への光学キラリティーの効率的な伝達と増強ができないという二つの問題点があった。

研究では，これらの難問を解決するために，シリコンでできたナノ構造を持つプレート，シリコンナノディスクアレイを開発し，そのダークモードを利用することで，全誘電体のキラル場増強ROAを実証した。ダークモードとは，電気双極子とトロイダル双極子（ドーナツのような形の磁場によって誘起された双極子）の組み合わせであり，遠方場ではこれらの双極子が部分的に破壊的な干渉を起こすもの。

具体的には，光学的に等方性のシリコンナノディスクアレイを設計し，チップ上に作製した。これにより，信号取得時間中に近接場での光学キラリティーを正確に調整することができ，強化されたROA分光測定にアーチファクトが入ることを回避することができた。

シリコンナノディスクアレイの物理的な利点に加えて，その製造プロセスは半導体生産と同じ装置を用いており，他のオンチップデバイスとの併用や，キラル測定のための大量生産にも適用できるという。

この手法の実用性を示すために，化学的および生物学的な鏡像異性体のペアである(±)-α-ピネンと(±)-酒石酸のROA分光測定を実施したところ、ごくわずかなアーチファクトを伴う2相の仮想エナンチオマーROA光学系において，近接場でのROA信号の増強効果は約100倍だった。

この手法は，X線結晶構造解析法やNMR分光法では不可能な，微量のキラル分子の絶対構造解析を，簡便・迅速・安価・安定的に行なうことができるもの。また，分析化学，構造生物学，物質科学，薬学，量子生命科学などの多様な分野での応用が期待されるとしている。