中性子非弾性散乱による生体物質の低温物性研究

Low temperature physical properties of biomaterials studied by inelastic neutron scattering

中川 洋   

Nakagawa, Hiroshi

中性子線は、原子サイズと同程度の波長と分子の熱揺らぎと同程度のエネルギーを持つことから、計測対象の分子との相互作用によって散乱した中性子を分析することで、ナノ秒スケールの時間スケールかつナノメートルの空間スケールの分子ダイナミクスが分かる。テラヘルツ周波数領域に特徴が現れるガラス化した生体物質の振動状態や、生体物質表面との相互作用によって発現するバルク水とは異なる水和水ダイナミクスなどの解析が可能となる。さらに、水素原子と重水素原子の散乱長の違いを活用し、計測対象の分子等の部分重水素化によって特定部位の構造やダイナミクスを際立たせて解析できることも中性子散乱の大きな利点となる。動的構造因子を定量的に計測できる中性子非弾性散乱は、分子シミュレーションによる解析との相性がよいことも特長である。

Neutron beams can reveal molecular dynamics on nanosecond time and nanometer space scales, because neutrons have wavelengths as large as the size of an atom and energies as large as the thermal fluctuations of a molecule. It is possible to analyze the vibrational state of vitrified biomaterials with features appearing in the terahertz frequency domain, as well as the dynamics of hydration water, which is different from that of bulk water due to its interaction with the surface of biomaterials. Another great advantage of neutron scattering is that it allows us to analyze the structure and dynamics of a specific part of a molecule by partial deuteration, utilizing the difference in the scattering length between hydrogen and deuterium atoms. Inelastic neutron scattering, which allows quantitative measurement of dynamic structure factors, is also well suited to analysis by molecular simulation.