東京大学大学院、世界最高速のラマン分光法を実現

November, 1, 2024, 東京--東京大学大学院理学系研究科附属フォトンサイエンス研究機構の井手口拓郎准教授らの研究グループは、ラマン散乱分光法の測定速度を飛躍的に向上させる「タイムストレッチコヒーレントストークスラマン散乱（TS-CSRS）分光法」を開発し、世界最高速となる50,000,000スペクトル/秒という、従来の最高速と比べて100倍以上の高速計測を達成した。
開発された技術は、従来技術の限界を大幅に超え、非可逆的な現象の解析や高スループット計測においても新たな可能性を切り拓く。

ラマン散乱分光法は、光が物質と相互作用する際に生じる分子の振動や回転に基づいた散乱光の周波数シフトを利用する分光技術であり、各分子の固有の振動スペクトルを得ることができる。このスペクトルは分子指紋とも呼ばれ、分子構造や成分の特定に活用され、非破壊的かつ迅速にサンプルの化学組成を分析できる。ラマン散乱は、固体、液体、気体といった多様な状態のサンプルに適用可能であり、特に水の影響を受けにくいため、水溶液中の分子や生体試料の観測にも優れた能力を発揮する。従来のラマン散乱分光法では、微弱な散乱信号や長い測定時間が課題となっていたが、近年、様々な高速化手法が開発され、測定速度は500,000スペクトル/秒にまで達していた。

研究チームは、超短パルス光によるコヒーレントラマン分光と光ファイバを用いた時間伸張（タイムストレッチ）技術を組み合わせ、50,000,000スペクトル/秒という世界最高速の計測を実現した。コヒーレントラマン分光は、超短パルス光を用いて高効率にラマン散乱を行う手法であり、近年、これを用いた様々なシステムが高速計測を実現してきた。
研究では、特に高効率な手法であるインパルシブ誘導ラマン散乱を発生させる方法を採用し、検出には、単一パルスのスペクトルを連続して高感度に計測可能なタイムストレッチ分光法を用いた。これらの技術を活用することで、かつてない速度での計測が可能となった。また、同研究チームは近年、同程度の計測速度で赤外分光スペクトルを取得可能なタイムストレッチ赤外分光（TS-IR）の開発にも成功しており、主要な振動分光である赤外分光とラマン分光の双方において世界最高速の技術を実現している。

開発した技術により、これまで観測が困難であった高速現象や非可逆的な現象をリアルタイムで観測することが可能となる。さらに、ラベルフリーで化学情報を取得する顕微イメージングやフローサイトメトリなどの高速化への応用も期待されている。
(詳細は、https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/10542/)