数理物質系 加納英明准教授
物質の構造を分子レベルで観察するにはどうしたらよいでしょうか。分子ひとつひとつを肉眼で見ることはできませんが、光の力を借りると物質の構造に関する情報を得ることができます。光を物質に照射すると分子が振動して、散乱する光の中にもとの光の色と異なる色成分が発生します。この現象は、光の波長と物質に含まれる化学結合の種類に応じて固有のスペクトルとして検出されます。それを読み解けば、分子構造がわかる理屈です。このような分析手法を「振動分光法」といい、可視光だけでなく近赤外光・紫外光などいろいろな波長の光が使われます。そのほかに、赤外光を用いる赤外分光法もあります。
インドの科学者チャンドラセカール・ラマンは、1928年、物質にあたって散乱した光の中に、ごくわずかながら、あてた光と異なる波長の光（ラマン散乱）が含まれていることを発見しました。このわずかな光を用いたのが「ラマン分光法」です。ラマン散乱は非常に微弱なため検出しにくいという難点があります。しかし、有機物でも無機物でも、また、固体・液体・気体のどの状態でも分析できることから、幅広く利用されています。 加納さんは、このラマン分光法を用いた生体組織の観察に取り組んでいます。たとえば、筑波大学附属病院の眼科と共同で、眼組織の分子組成を識別する新しい手法の開発に着手しました。角膜、水晶体、網膜等にレーザー光を照射し、一定の深さごとにどのような分子が存在しているかを分析し、眼組織の分子分布を立体的、三次元的に見ることに成功しています。実験ではラットの眼組織を取り出して測定しましたが、人体に影響のない程度までレーザー強度を適切に調整することで、人の眼に直接レーザー光をあて、分子の組成や分布の違い等から疾患の発見が可能になると期待されます。
ラマン顕微鏡を立ち上げる大学院生を見守る
大学院生にラマン顕微鏡の操作を指示
ラマン散乱は微弱であるという欠点がありました。加納さんはそれを、光源にパルス状のレーザー光を用いることで飛躍的に改善しました。照射する光の強さ（ピークパワー）が増すと、物質との相互作用も強まって、観測される光量はぐんと増大します。さらに、いろいろな波長を含んだ「白色」レーザー光を使うと、波長を変えて何度もスキャンしなくても、一瞬で全波長に対するスペクトルが得られるようになりました。この「マルチカラー非線形ラマン分光法」が加納さんのオリジナリティー。生体組織を（染色することなく）短時間で三次元的に測定し、分子の空間分布を表すのが特徴です。いずれは、３Dプリンタで分子情報を出力することも夢ではないかもしれません。
近年、生体内の様子を観察する手法として、特定の分子を色素や蛍光タンパクでラベリングし、その分布や挙動を画像で捉える「分子イメージング」が盛んです。生命現象を生きたまま可視化できる技術です。ただし、見えるのはラベルされた分子だけ。それに対して、ラマン分光法を使えば、様々な分子が複数種類混ざっていても、スペクトル解析でその成分が識別できます。加納さんが目指しているのは、ラベリングをせずに生体をあるがままに観察する「ラベルフリー」の分子イメージングです。予めターゲットを決めない方が、思いもよらなかったもの、すなわち未知の変化や異常を見つけるには有効なのです。
HeLa細胞の非線形ラマンイメージングの結果
加納さんが専門とする、分析方法の開発や装置の性能を上げるための研究は、分析の対象となる材料がなくては成り立ちません。つまり、その材料を研究する人々との連携が不可欠です。その意味で、筑波大学は連携相手の宝庫だと加納さんは語ります。これまでに、iPS細胞やオイル産生藻類などの研究でも連携が実現しています。異分野とのコラボによってラマン分光法の応用範囲が広がるだけでなく、互いの知見が融合されて新しい発見につながる面白さがあります。加納さんのモットーは、「分子の指紋で異分野連携」です。
ラマン分光法で重要なのはスペクトルを読み取る能力です。振動（ラマン）スペクトルは「分子の指紋」ともいうべきもの。せっかく測定しても、そこから適切な情報を取り出せなければ意味がありません。スペクトルを統計的に解析する手法もありますが、適切な分析結果に到達するためには、ノイズのように見える小さなピークも見逃さない職人的な目利きが求められます。研究室の学生にも、その点を第一に指導しています。研究室から眺める筑波山の輪郭が、加納さんの目にはラマンスペクトルに見えてしまうそうです。そのこだわりで、様々な分子の指紋を見つけ出しています。