[論文レビュー] Nanoscale optical and structural characterisation of silk

Meguya Ryu, Reo Honda+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2019

Silk-based biomaterials and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ナノスケールの光学アzieトロピーを直接測定可能な、100 nmの超薄い縦断断面を用いた、シルクのハイパースペクトル赤外（IR）マッピングにより、10 nm未満の空間分解能を達成した。分子配向に起因する吸収率変化1–2%の信頼性ある検出が可能であり、シルクの構造的および光学的性質がナノスケールでも保持されていることを裏付けた。

ABSTRACT

Background: Nanoscale composition of silk defining its unique properties via a hierarchical structural anisotropy has to be analysed at the highest spatial resolution of tens-of-nanometers corresponding to the size of fibrils made of b-sheets, which are the crystalline building blocks of silk. Results: Nanoscale optical and structural properties of silk have been measured from 100-nm thick longitudinal slices of silk fibers with ~10 nm resolution, the highest so far. Optical sub-wavelength resolution in hyperspectral mapping of absorbance and molecular orientation were carried out for comparison at IR wavelengths 2-10 micrometers using synchrotron radiation. Conclusion: Reliable distinction of transmission changes by only 1-2% due to anisotropy of amide bands was obtained from nano-thin slices of silk.

研究の動機と目的

• シルクの光学的および構造的特徴を、特にβ-ヘリックス繊維レベルでナノスケールの空間分解能で同定すること。
• 分子配向に起因するアミドバンドの異方性吸収を、波長未満の分解能で信頼性高く検出できるかどうかを検討すること。
• 超薄い（100 nm）マイクロトーム断面が、シルクのようなソフトバイオポリマーの固有の光学的および構造的性質を保持しているかどうかを検証すること。
• ナノスケールでの吸収率およびブirefringenceの評価において、遠場と近場のIR測定を比較すること。
• ナノスライスが、ボリュームまたは厚い試料に見られる光学的平均化効果を排除し、固有の光学的性質を直接測定可能かどうかを特定すること。

提案手法

• ナノスケールの厚さを実現するため、超マイクロトームを用いてシルク繊維の100-nm厚の縦断断面を調製した。
• 10 nm程度の解像度を有するシンクロトロンベースの近場走査光学顕微鏡（SNOM）を用い、2–10 µm波長範囲でハイパースペクトルIRマッピングを実施した。
• IR波長域での吸収率および遅延率測定を実施し、二色性Δ" = k(κ∥ − κ⊥)dを用いて分子配向に起因する異方性を評価した。
• SNOM（近場）と遠場FTIR/ATR-FTIR手法による吸収率スペクトルを比較し、測定モダリティ間の一貫性を検証した。
• 二色性と測定可能な透過率変化を結びつけるために、式 T∥/T⊥ = exp(−2Δ") を用いて、平行および垂直偏光状態間の透過率差を定量した。
• アミドI、IIおよびAバンドの分析を通じて、構造的異方性に関連する、配向依存の吸収率およびブirefringenceを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シルクのハイパースペクトルIRマッピングにおいて、10 nm未満の空間分解能を達成でき、ナノスケールの構造的および光学的異方性を解像できるか？
• RQ2 100-nm厚のシルクスライスにおける吸収率異方性（二色性）の大きさは何か？ また、ナノスケールで信頼性高く測定可能か？
• RQ3 超薄いマイクロトームスライスは、ボリューム材料の固有の光学的および構造的性質を保持しているか？
• RQ4 近場（SNOM）と遠場IR測定は、スペクトル的特徴および分子配向への感受性において、どのように比較できるか？
• RQ5 分子異方性に起因する透過率変化（例：T∥/T⊥）は、現在のナノスケールIR技術の検出可能範囲内にどの程度まで含まれるか？

主な発見

• SNOMを用いて、本研究で報告された中で最高の10 nm程度の空間分解能を達成した。
• 分子配向に起因する吸収率異方性が信頼性高く測定され、平行および垂直偏光状態間の透過率変化がわずか1–2%にとどまった。
• アミドIでは、Δ" ≃ 0.027であり、透過率比 T∥/T⊥ ≈ 97.4% となり、測定可能なが微小な異方性であることが確認された。
• アミドAでは、Δ" ≃ 0.014であり、T∥/T⊥ ≈ 98.6% となり、最小限ではあるが検出可能な二色性であることが示された。
• 遠場および近場の吸収率スペクトルは定量的に同等であり、ナノスライス上でのSNOM測定の信頼性が裏付けられた。
• 100-nm厚のマイクロトームスライスにおいても、ブirefringence（Δn ≈ 4×10⁻³）および吸収率を含む、シルクの構造的および光学的性質が保持されており、試料調製に起因する最小限のアーティファクトであることが確認された。