たった一つの分子からの光の吸収を検出する

光学イメージングコミュニティが秘めている願望の一つに、「単一分子」イメージングがあります。しかし、これは一見するとそれほど現実的ではありません。ほとんどの人は、原子核や電子の位置をすべて捉えられるとは思っていません。むしろ、特定の位置から発せられる光信号が単一の分子によるものだと断言できることを期待しています。そのため、このイメージングは​​「単一分子位置マッピング」と呼ぶ方が正確かもしれません。

同様の流れで、 Nature Photonics誌に掲載された論文では、たった1分子からの吸収を検出する方法が示されています。残念ながら、この論文では「光吸収による1分子イメージング」と題されていますが、これは分子が実際の100倍ほどの大きさで、丸い塊のように見える場合にのみ当てはまります。タイトルは不正確ですが、論文自体は非常に興味深いものです。

「分子一つが見える」と言うのはクールな要素があります。 

分子が光に反応する方法は、周囲の環境に大きく依存します。しかし通常、光ビームの直径は非常に大きいため、ビーム内に一度に1つの分子だけが入射するような実験をセットアップするのは困難です。さらに、分子はそれほど多くの光を吸収しないという事実（数ナノ秒ごとに1つの光子しか吸収しないため、吸収される総電力は約63pWですが、これは分子を可能な限り強く駆動した場合の数値です）も加わり、非常に困難な実験となります。

自由空間に存在し、自身を妨害する可能性のあるものが近くにない分子は、狭い範囲の色を吸収します。その利点は、近くの他の分子に関連する力を感じると、吸収する光の色が変化するという点です。例えば、水とタンパク質に囲まれた単一の分子、例えば染料分子を想像してみてください。その分子が吸収する光の色を継続的に監視できれば、染料分子の周囲で何が起こっているのかを解明できます。さらに、これを領域全体で実行できれば、分子の位置だけでなく、環境にどのように反応するかについても理解できるようになります。

目標は達成できました。では、どうやってそこに到達するのでしょうか？おそらく、セレブラーノ氏らが開発した技術を活用することになるでしょう。彼らは、2つの異なる色のレーザー光を、ごくわずかな色素分子しか含まないサンプルに非常に強く集光することで、吸収を追跡する顕微鏡を開発しました。色素分子は、選択された特定の色のうちの1つを強く吸収する唯一の分子種です。 

しかし、多くの物質が同じ光に対して弱い相互作用をします。実際には、あらゆる物質が光を散乱させ、方向を変えます。つまり、光は顕微鏡の光学系に集光されず、吸収されたとみなされます。吸収も問題です。前述の共鳴吸収は最も強い吸収ですが、スペクトルのあらゆる色で起こる非共鳴吸収は、単一分子を観察する際に重要になります。

そのため、このゲームのタイトルは「色素分子に起因する失われた光だけを数える」ということになります。ここで2色のレーザー光が関係してきます。片方の色は色素によって共鳴吸収され、もう片方は吸収されません。散乱と非共鳴吸収はすべて、両方の色の光に等しく影響します。したがって、両方の光線をサンプルに通し、共鳴吸収から非共鳴吸収と散乱を差し引くと、レーザー光が色素分子にいつ、どこで当たるかが分かります。

これは非常に巧妙で高感度な技術であり、セレブラーノらは非常に明確な結果を示しています。しかし…全体的に少し誇張されているように感じざるを得ません。私が何度も色素分子について言及していることにお気づきでしょう。なぜなら、色素分子にはこの実験をはるかに容易にする2つの特性があるからです。それは、色素分子は強い吸収（非常に強い吸収）を持ち、吸収後に異なる色の光を発することができる（これを蛍光と呼びます）からです。言い換えれば、色素分子は最も強いシグナルを持っており、その蛍光によって追跡することができ、これは吸収を追跡するよりもはるかに簡単です。