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Sato Shin-ichiro

Faculty of Engineering　Applied Chemistry　Chemistry of Functional MoleculesAssociate Professor

Researcher basic information

■ Degree
  • 博士（理学）, 東北大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ Various IDs
J-Global ID■ Research Keywords and Fields
Research Keyword
  • Computational chemistry
  • 高分子希薄溶液のダイナミクス
  • 量子化学
  • レーザー光化学
  • 物理化学
Research Field
  • Natural Science, Biophysics, chemical physics and soft matter physics
  • Nanotechnology/Materials, Fundamental physical chemistry
■ Educational Organization

Career

■ Career
Committee Memberships
  • Sep. 2021
    分子科学討論会, 世話人, Society
  • 2011
    分子科学会, 世話人, Society
  • 2006
    分光学会, 北海道支部学生シンポジウム世話人, Society

Research activity information

■ Papers
■ Other Activities and Achievements
■ Books and other publications
  • Coherence and Ultrashort Pulsed Laser Emission
    INTECH, 2010
■ Syllabus
  • 分子物理化学特論, 2024年, 修士課程, 工学院
  • 分子物理化学特論, 2024年, 修士課程, 総合化学院
  • 大学院共通授業科目（一般科目）：自然科学・応用科学, 2024年, 修士課程, 大学院共通科目
  • 分子物理化学特論, 2024年, 博士後期課程, 工学院
  • 分子材料化学, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 量子化学Ⅱ, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 応用化学学生実験Ⅰ, 2024年, 学士課程, 工学部
■ Affiliated academic society
  • 応用物理学会
  • 分子科学会
  • 日本化学会
■ Research Themes
  • 金ナノ粒子の表面デザインを駆使したプロテインコロナの光制御法の開発
    科学研究費助成事業
    30 Jun. 2022 - 31 Mar. 2025
    三友 秀之; 佐藤 信一郎
    本研究では、高い光機能性と生体適合性を有する金ナノ粒子を用いたナノ粒子医療の開発に取り組んでいる。ナノ粒子医療においては、粒子が血中を安定に滞留し、対象とする疾患部位に特異的に作用するターゲット能が重要である。しかし、一般的に、ナノ粒子が血中に投与されると粒子の表面に様々なタンパク質が吸着してプロテインコロナを形成し、マクロファージに認識されて排除されたり、目的細胞へのターゲット能が失われたりする。このような課題に対し、これまで吸着性を低減するための表面デザインが検討されてきた。本研究では、一歩進んだ“プロテインコロナを制御する手法”の開発を目指し、粒子の表面デザインについて検討を進めている。具体的には、自身のタンパク質が吸着することで粒子の凝集体形成を抑制し、かつ免疫システムから異物として認識されないようにしながらも、マクロファージが認識するようなタンパク質は吸着せず、さらには、特定の部位に到着した際には光刺激によってターゲット能を発揮できるナノ粒子の創製を目指している。
    令和４年度は、研究代表者が開発してきた温度応答性を付与する表面被覆分子による機能化を拡張し、よりオリゴエチレングリコール分子鎖が長い分子と混合することで、粒子表面へのタンパク質の吸着性を制御できることを新たに発見した。また、オリゴエチレングリコールが長い分子と混合したことによって応答温度が上昇することが確認されたが、適切な応答温度への再設定も達成した。つまり、体温付近での鋭敏な温度応答性を維持しながら、タンパク質の吸着性を制御可能な表面デザインを見いだした。結果として、血清をいれた細胞培養液中において、血清タンパク質の吸着による粒子の分散安定化と温度変化に応答した粒子の集合化を両立できることがあきらかになった。
    日本学術振興会, 挑戦的研究(萌芽), 北海道大学, 22K19929
  • Exploration of Fluctuation-Controllable Self-Assembled Supramolecular Systems and Elucidation of Their Control Mechanisms
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2017 - 31 Mar. 2022
    Sato Shin-ichiro
    Exciton splitting in the absorption spectra of monocarboxylic acid tetraphenylporphyrin (TPPCOOH) and monocarboxymethyltetraphenylporphyrin (TPPCOOCH3) was successfully reproduced by molecular dynamics and TDDFT simulations of the self-assembled dimers of both polyphyrins.The difference in the thermodynamically stable structures of the two porphyrin dimers and the magnitude of their structural fluctuations was attributed to the difference in the hydration structures of the carboxylic acid and carboxymethyl groups.
    The stable structures of self-assembled complexes of TPPCOOH and TPPCOOCH3 with fullerenes were also investigated, and a DA complex with controllable fluctuations was possible by linking porphyrins in a ring-like structure.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, 17K05025
  • Control of molecular vibrations by double impulsive resonance Raman excitation
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    01 Apr. 2012 - 31 Mar. 2016
    Sato Shin-ichiro
    In the last decade, the direct control of quantum wave functions of molecular electronic and vibrational states has been developed in the areas pf coherent control of chemical reactions and quantum computing by using ultrafast femtosecond laser. For the achievment of quantum control, the suppression of decohrence of wavefunctions are obviously important. Therefore, we studied the decohrence process of molecular wavefunctions of polycondensed aromatic molecules in the cyclodextrin nanocavity in aqueous/alcohol or aqueous/keton solvents with the deconvolution method by using Voigt function fitting. We also studied fluctuation of polymers motions in aqueous solution by using molecular dynamics simulations.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, 24550004
  • Suppression of Electronic Dephasing of Guest by Cyclodextrin Encapsulation
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    2008 - 2010
    SATO Shinichiro
    Cyclodextrins (CD) are cyclic oligosaccharides consisting of six or more D-glucopyranose units, the interior of which forms a hydrophobic cavity. CDs are well-known in their ability to form inclusion complexes with hydrophobic molecules in aqueous solution and a number of studies have been performed about photochemical properties of various guests in the CD nanocavities. In this research, we employed the CD confinement effects as a tool to suppress an electronic decoherence of the guest wavefunction by reducing intermolecular interactions between a guest molecule and the surrounding environment. Decoherence suppression was observed as a spectral narrowing of the electronic transitions of the guests in the frequency domain or as a quantum interference signal in the time domain.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, 20550001
  • 溶液中多原子分子の余剰振動エネルギー緩和
    科学研究費助成事業 特定領域研究
    2007 - 2007
    佐藤 信一郎
    溶液中における光励起分子の振動緩和過程の研究は、光化学反応制御や溶液構造・ダイナミクスとの関連において非常に重要な研究課題である。溶液中の多原子分子の振動緩和過程では、分子内振動再分配(IVR)と分子間振動エネルギー移動(VET)とが時間的に重なり、両者が競合する領域を持った複雑な過程である。我々はこれまで、ペリレン等の多環芳香族分子のVERについて研究をおこなってきた。多環芳香族分子は溶液中においても,吸収・発光スペクトルが比較的シャープであり,振動プログレッションが明瞭であることに着目し,時間分解発光スペクトルをフランクコンドン(FC)解析することで溶液中多原子分子系の実験としては報告例が非常に少ないstate-to-stateのポピュレーション解析に成功している。
    近年、溶液中での振動緩和過程の研究において、IVRにはサブピコ秒のタイムスケールで起こるfast IVRと、ピコ秒領域のslow IVRの2つが存在することが見出されている。このslow IVRはVETとタイムスケールが接近しており、溶質-溶媒間の弾性的な相互作用により影響を受けるsolvent-assisted IVR(SA-IVR)であると考えられている1,2。本研究では、このSA-IVRについて、溶媒のどのような性質が影響を与えているか詳細を明らかにするため、ペリレンのフェムト秒からピコ秒領域における余剰振動エネルギー緩和過程に対する溶媒効果について蛍光アップコンバージョン法により調べた。
    日本学術振興会, 特定領域研究, 北海道大学, 19029001
  • Control and Visualization of Molecular Wavefunctions by Quantum Holography
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    2005 - 2007
    SATO Shin-Ichiro
    The ability to control molecular wave functions may lead to novel quantum technologies such as bond-selective chemistry and quantum computing. An understanding of the coherent loss process is essential for the realization of these quantum technologies using quantum interference effects in condensed media. Although the overwhelming majority of chemical reactions take place in solution, there have been very few experimental studies on the coherent reaction control of polyatomic molecules in condensed media, due to the rapid decoherence of wavefunctions. These fast quantum-phase relaxations are thought to be caused by solute-solvent interactions. Thus, an understanding of the roles of solvent molecules in the dephasing mechanism is strongly required. It is noted that the inhibition of dephasing is necessary for the development of coherent control techniques for more general reactions. Therefore, the protection of molecular wavefunctions from the surrounding environment becomes an important issue for the realization of quantum control techniques in condensed phases.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 17350001
  • 強光子場における光化学反応の量子コヒーレンスと反応制御
    科学研究費助成事業 特定領域研究
    2003 - 2003
    山崎 巌; 佐藤 信一郎
    本研究の目的は(1)分子配列系光化学反応における量子コヒーレンスの問題を、レーザー光強度との関連において調べ「分子配列系コヒーレント光化学」を実験的理論的に確立すること、(2)反応量子位相制御による反応の制御を確立することである。本年度の研究成果は次の通りである。
    (1)コヒーレント励起子伝搬を示す新しい分子配列系の発見
    これまでアントラセン、ペリレンなどの分子二量体について、相互作用によって分裂した2つの状態を超短パルスレーザーでコヒーレントに励起することによって、蛍光異方性減衰のうえに量子ビートが現れることを見い出し、これが量子系の時間発展において2つの状態の間で回帰振動によるものであることを確かめた。本年度はサイズの大きなポルフィリンデンドリマーについて、同様な量子ビートが見い出され、これらの結果は、分子系におけるコヒーレント光化学反応のはじめての観測として位置付けられる。
    (2)液晶光変調器を用いた位相ロック2重レーザーパルス照射法による量子干渉測定装置の完成
    液晶光変調器を用いて、2つのレーザー光の相対位相を可変にして、かつ高い精度で固定化し、自動制御機構をふくめた干渉計測装置を新たに製作した。その結果、アト秒時間領域にまで、レーザー光位相が保障され、分子二量体およびポルフィリンデンドリマーにおける反応の位相干渉効果を観測することができ、また2重パルスの光の位相を変えることにより、反応制御の動作を確認することができた。
    日本学術振興会, 特定領域研究, 北海道大学, 15035201
  • Photonic Molecular Processors by means of Quantum Phase Control of Electron and Exciton Transport
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    2002 - 2003
    YAMAZAKI Iwao; NISHIMURA Yoshinobu; AKIMOTO Seiji; SATO Shin-ichiro
    In highly organized molecular systems, the coherent photochemical reactions such as excitation transfer and electron transfer can occur very fast (less than 1 ps) as a coherent motion of quantum mechanical wavepacket. The present work has been started with observation of the quantum coherence of exciton motion in molecular dimers of anthracene, perylene and in porphyrin dendrimers. Quantum beats appeared on fluorescence anisotropy decay which means the oscillatory motion of exciton in the course of energy transfer processes into the final state. The phase-locked double-pulse excitation method has been developed and provided us with another method to examine the quantum coherence of the reaction. Furthermore, this method allowed us to examine the photoswitching behavior of the coherent photoreaction by controlling the phase of two laser pulses.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), HOKKAIDO UNIVERSITY, 14350448
  • Coherent control of energy transfer in condensed phases by femtosecond phase-locked pulse pair
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    2002 - 2003
    SATO Shin-ichiro
    The intramolecular electronic excitation coherence created by the first femtosecond laser pulse in a linked anthracene dimer, dithia-1,5[3,3]-anthracenophane (DTA), was enhanced or depreciated by the interference with the second femtosecond laser pulse, which is phase-locked to the first pulse. Two anthracene rings in DTA are stacked parallel but with nearly orthogonal orientation. The interference intensity of fluorescence from DTA was measured as a function of delay tune between two pulses with the optical phase angle being fixed with 0° (in-phase) or 180° (anti-phase). Two components of enhanced and depreciated oscillations appeared in the sub-picoseconds region as a function of the delay tame, with the time periods depending on the excitation wavelength. On the basis of theoretical analysis, the two components were assigned to the sum and difference frequencies between the energy splitting of molecular eigenstates and the detuning of the laser frequency relative to the molecular electronic transition energy. The exciton splitting between the two superposition states of the local excitation was derived to be 2Δ=35cm^<-1>, which is in close agreement with our previous result (29cm^<-1>) obtained from fluorescence anisotropy decay measurement.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), HOKKAIDO UNIVERSITY, 14540461
  • Coherent Photochemical Reactions in Sequential Molecular Systems-Measurement and Theoretical Formulation
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (B)
    1999 - 2001
    YAMAZAKI Iwao; SATO Shin-ichiro; OHTA Nobuhiro; SUMI Hitoshi; AKIMOTO Seiji; NISHIMURA Yoshinobu
    The Coherent nature of photochemical reaction has been established for highly organized molecular systems through the experimental mesurement and theoretical formulation. The results are summarized as follows.
    (1) The first observation of quantum beat signal has been attained for cyclic motion of exciton between two chromophores inanthracene dimers and perylene dimers. This means that the exciton moves coherently back and forth between the two chromophores, and that the photochemical reaction in molecular systems occurs coherently in several ps before the electronic decoherence. A special apparatus was constructed which was capable of quantum-interference control of the reaction.
    (2) The coherent photochemical reaction under external electric field was investigated, and found that the reaction was controlled by applying electric field. Several types of porphyrin arrays of 1D (Osuka compounds) exhibited a significant enhancement of conductivity upon photoexcitation. These molecular systems may function as molecular wires switchable by photo-irradiation.
    (3) The theoretical formulation has been established for coherent transports of electron and exciton in photosynthetic reaction centers (RC) in plants A higher-order perturbation theory was applied to the cyclic and sequential arrangements of molecules inside the RC proteins.
    In Summary, the present reserch project has attained 90% success for the reserch program that we planned initially.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (B), HOKKAIDO UNIVERSITY, 11223203
  • The Dynamics of Molecules in Very Large Electron Orbital
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    1999 - 2000
    SATO Shin-ichiro
    The dynamics of molecules in very large electron orbitals is of interest since those molecules can be accessible with the zero kinetic energy (ZEKE) electron spectroscopy recently. The very large electron orbital is created by the resonant multi-photon laser excitation of the molecule to the very high-lying Rydberg states with high principal quantum numbers (n>100). The very high-lying Rydberg states is easily ionized with a weak pulsed electric field and can be detected electron multiplier. The lifetimes of the very high-lying Rydberg states were measured to be in the range of tens of microseconds, which are extraordinarily longer than the simple n^3 extrapolation of the lifetimes of the lower lying Rydberg states. This fact requires some dynamics that is unique to the molecules in very large electron orbital. We developed a novel sweep-off-probe time resolved two pulsed field ionization apparatus, and obtained the evidence showing the vibronic coupling between Rydberg electron and ion-core molecular vibrations.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 11640520
  • 1.光化学反応のアト秒量子位相制御
    1999
    Competitive research funding
  • 1.Attoseconds Quantum Control of Photochemical Reactions
    1999
    Competitive research funding
  • 孤立分子系コヒーレント超高リュードベリ状態のパルス電場による寿命制御
    科学研究費助成事業 奨励研究(A)
    1997 - 1998
    佐藤 信一郎
    本研究課題は、ナノ秒パルスレーザーによる共鳴多光子励起で生成したコヒーレシトな超高リュードベリ状態の寿命を、パルス電場をもちいて制御するための基礎的な実験をおこなうことを目的として開始された。任意波形パルス電場発生装置の開発をおこない、それを用いてNO分子等の小分子およびベンゼン等多原子系を対象として、超高リュードベリ状態の寿命のパルス電場依存性、イオン濃度依存性等を詳細に調べた。その結果、ベンゼン誘導体等の多原子分子系では振動回転状態の異なるリュードベリ系列間での遷移がNO分子等の小分子系と比べて顕著に起こることが新にみいだされた。この原因として振動準位密度および回転準位密度が関係していると予想されるが、低振動モードの振動数の異なるベンゼン誘導体についてリュードベリ系列間遷移を調べたところ、ほとんど差がみられないことから主に回転準位密度が関係していることが示唆された。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 岡崎国立共同研究機構, 09740421
  • 二段階パルス電場イオン化検出による質量選別しきいイオン分光法の開発
    科学研究費助成事業 奨励研究(A)
    1996 - 1996
    佐藤 信一郎
    申請者らは、ゼロ運動エネルギー(ZEro Kinetic Energy,ZEKE)光電子分光法と呼ばれる、新しい超高分解能レーザー光電子分光法を用いて、超音速ジェット冷却された分子の断熱イオン化ポテンシャルの精密決定や、分子カチオンの構造研究をおこなっている。ZEKE光電子分光法の原理は、超音速ジェット中で極低温に冷却された気相分子を、パルスレーザー光により、イオン化状態より数cm^<-1>低波数側に存在する高リュードベリ状態に共鳴多光子励起し、その後、レーザーパルス照射から数マイクロ秒後にパルス電場により、高リュードベリ電子をパルス電場イオン化(Pulsed Field Ionization,PFI)するとともに電子増倍管へ導くものである。このために、ZEKE光電子分光法は、ZEKE-PFI分光法と呼ばれることも多い。
    質量選別しきいイオン(Mass Analyzed Threshold Ion,MATI)分光法とは、ZEKE-PFI分光法において検出されるPFI電子にかわって、電場イオン化により生成したイオン(PFIイオン)を検出する分光法である。MATI分光法の最大の利点は、飛行時間法などにより質量選別した後、PFIイオンを検出することにより、超音速ジェット中で生成する質量のことなる分子クラスターを選別して検出することが可能であることである。PFIイオンを検出する上で問題となるのは、イオンは電子にくらべて質量が格段に重いために、運動エネルギーをもったイオンとPFIイオンを分離するのに困難をともなうことである。この点を解決するために、申請者らはパルス電場を2つ用いる二段階パルス電場イオン化(2PFI)法を考案した。2PFI法では、レーザー励起直後に第一のパルス電場を引加し運動エネルギーイオンをイオン化点より移動させ、遅延時間をおいた後、第二のパルス電場によりPFIイオンを集める方式をとっている。これにより、短い遅延時間で高感度にPFIイオンを検出することが可能となった。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北陸先端科学技術大学院大学, 08740456
  • Study of Zero Kinetic Energy Photoelectron Spectroscopy of Organic van der Waals Molecules. Determination of Adiabatic Ionization Potentials
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    1994 - 1996
    KIMURA Katsumi; SATO Sin-ichiro
    A new apparatus of two-color zero-kinetic-energy (ZEKE) photoelectron spectrometer with a compact, high-resolution, high-brightness ZEKE electronanalyzer earlier developedin our group, has been set up at the Japan Advanced Institute of Science and Technology here at Tatsunokuchi since 1993. The energy resolution has been further improved by introducing a "two-pulsed-field" technique in our AEKE photo-electron measurements, and this technique has been successfully applied to our MATI (Mass Analyzed Threshold Ionization Spectroscopy).
    In the two-color ZEKE measurements, two ns lasers are used, one is for excitation to a specific excited state, and the other is for further excitation to very high Rydberg states just a few wavenumber below the ionization threshold. In order to carry out measurements of very high resolution ZEKE electrons (less than one wavenumber), we have applied two kinds of pulsed electricfields with an appropriatedelay time, one is to remove all the emitted photoelectrons as well as some very shallow Rydberg electrons, and the other is to collect somewhat deeper Rydberg electrons.
    The molecules studied in the present work are some benzene derivatives and higher aromatic molecules (benzonitrile, fluorobenzene, thioanisole, tetrafluorobenzene, naphthalene, indole, etc.) and their van der Waals complexes mainly with argon in supersonic jets. As results, we have successfully determined the adiabatic ionization potentials of these molecular species including van der Waals complexes formedin jets. We have also been able to observe van der Waals vibrational frequencies of the van der Waals cations from ZEKE photoelectron spectra.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Japan Advanced Institute of Science and Technology, 06640648
  • 3次非線形ラマン分光法による溶液中分子の高電子励起状態の研究
    科学研究費助成事業 奨励研究(A)
    1995 - 1995
    佐藤 信一郎
    本研究は分子を基低電子状態においたまま、電子励起状態の振動スペクトルを測定することを目的としている。その手段として、3次非線形ラマン分光法に着目し、本年度は、その装置の立ち上げに着手した。3次非線形ラマン分光装置は、大きく(1)光源、(2)光学系、(3)試料循環系、(4)散乱光検出系、(5)データ処理系の5つの部分にわけられる。光源については、2台の色素レーザーの励起するために用いているNd:YAGレーザーの2倍波および3倍波をそれぞれ1:1に分割するビームスプリッタを購入し、非線形ラマン分光実験に必要な分子振動の振動数程度離れた波長可変のレーザー光が得られるようにセッティングをした。試料循環系については、ペリスタロティックポンプ、フローセルからなる試料循環装置を構築した。散乱光検出系については必要な光学部品の購入をおこない、現在、組立中である。今後、チトクロームc等のサンプルについてテスト実験をおこなう。また本研究と相補的な、ポンプ・プローブ法によるポルフィリン電子励起状態の共鳴ラマン測定もおこなった。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北陸先端科学技術大学院大学, 07740455