In the condensed phase, nano-scale heterogeneity depending on the microscopic environment around each molecule exists even under the condition that properties in macroscopic scale can be regarded as uniform. Conventional ensemble measurements can provide the information averaged over many molecules but the properties of individual molecules depending of each environment cannot be easily obtained.
In 1989, W. E. Moerner et al. achieved the first optical single-molecule detection (SMD) using modified frequency-modulation spectroscopic techniques. In the next year, 1990, M. Orrit et al. demonstrated the first SMD with a florescence detection method. This type of SMD is now commonly used in a variety of research fields. In the case that the relaxation time in microenvironment is much longer than the time of the measurement, the dynamics of each molecule is strongly influenced by its microenvironment. Hence in such a case, SMD can provide individual information of molecules, such as energy level, reactivity, and the strength of an intermolecular interaction, without ensemble averaging. In addition, SMD permits the direct measurement of the time course of molecular fluctuation around the equilibrium, which is quite difficult to obtain by using ensemble measurement methods.
In the present talk, I am going to show the significance of SMD by introducing general methods for single-molecule measurements and my recent results relating to SMD.
凝縮相中では、たとえ巨視的には均一と考えられる系であっても分子レベルの空間スケールでは不均一性が存在し、そのミクロ環境に依存して分子の物性は異なる。分子系の集団測定では、このようなミクロな環境に依存した分子ごとの物性の違いは観測されず、得られる情報は多数分子の平均値となる。
1989年にW. E. Moernerらによって分光学的な手法を用いた単分子検出が初めて報告され、その翌年の1990年、M. Orittらにより現在の単分子検出法の基礎となる蛍光計測による単分子分光が報告された。単一分子を観測する場合、ミクロ環境の緩和時間が測定時間に比べて十分長い場合には、分子の挙動はその周囲のミクロ環境を反映したものとなり、集団系では平均化され隠れてしまう個々の分子の状態、反応性、分子間相互作用等に関する情報を得ることができる。更に、単一分子のダイナミクス計測では、集団計測では得られない分子の平衡点近傍の揺らぎの時間応答を直接観測できることも重要な利点である。
今回の発表では、単一分子分光法についてその意義や主な測定方法を説明し、併せて私の研究内容についても紹介する。