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長嶋 宏樹
| 理工学研究科 物質科学部門 | 助教 |
| 理学部 基礎化学科 |
業績情報
■ 論文- Effect of frequency chirp on RYDMR spectrum in AWG-RYDMR system at low magnetic field
Akihiro Tateno; Hiroki Nagashima; Kiminori Maeda
Chemical Physics Letters, 2025年04月, ［査読有り］
研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cplett.2025.141905
DOI ID：10.1016/j.cplett.2025.141905, ORCID：176224456 - Anisotropic and Coherent Control of Radical Pairs by Optimized RF Fields
Akihiro Tateno; Kenta Masuzawa; Hiroki Nagashima; Kiminori Maeda
International Journal of Molecular Sciences, 2023年06月, ［査読有り］
研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.3390/ijms24119700
DOI ID：10.3390/ijms24119700, ORCID：136332548 - Synergetic Role of Conformational Flexibility and Electronic Coupling for Quantitative Intramolecular Singlet Fission
Shunta Nakamura; Hayato Sakai; Hiroki Nagashima; Masaaki Fuki; Kakeru Onishi; Ramsha Khan; Yasuhiro Kobori; Nikolai V. Tkachenko; Taku Hasobe
The Journal of Physical Chemistry C, 巻：125, 号：33, 開始ページ：18287, 終了ページ：18296, 2021年08月, ［査読有り］
We present a novel design concept of molecular dimers for quantitative individual triplet yield (φT) through intramolecular singlet fission. We synthesized a series of tetracene (Tc) dimers bridged by different phenylene-based linkers, focusing on the conformational flexibility in addition to the electronic coupling. In transient absorption measurements, a 4,4′-biphenyl-bridged Tc dimer with weaker electronic coupling and larger conformational flexibility exhibited the quantitative φT: 196 ± 12% at high excitation energy. Moreover, decoupled spins associated with conformational change were directly characterized by time-resolved electron paramagnetic resonance. Strong interplay of the geometry change and electronic localization was revealed on the triplet pair dissociation through magnitudes of spin-spin exchange couplings. Thus, a synergetic role of conformational flexibility and electronic coupling in quantitative φT was clarified.
American Chemical Society ({ACS}), 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c04734
Scopus：https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85114009615&origin=inward
Scopus Citedby：https://www.scopus.com/inward/citedby.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85114009615&origin=inward
DOI ID：10.1021/acs.jpcc.1c04734, ISSN：1932-7447, eISSN：1932-7455, ORCID：98448849, SCOPUS ID：85114009615 - Ultra‐Narrow Depletion Layers in a Hematite Mesocrystal‐Based Photoanode for Boosting Multihole Water Oxidation
Zhujun Zhang; Hiroki Nagashima; Takashi Tachikawa
Angewandte Chemie International Edition, 巻：59, 号：23, 開始ページ：9047, 終了ページ：9054, 2020年06月, ［査読有り］
Wiley
DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202001919
DOI ID：10.1002/anie.202001919, PubMed ID：32173995 - Spin Dynamics of Quintet and Triplet States Resulting from Singlet Fission in Oriented Terrylenediimide and Quaterrylenediimide Films
Youn Jue Bae; Xingang Zhao; Matthew D. Kryzaniak; Hiroki Nagashima; Joseph Strzalka; Qingteng Zhang; Michael R. Wasielewski
The Journal of Physical Chemistry C, 巻：124, 号：18, 開始ページ：9822, 終了ページ：9833, 2020年05月, ［査読有り］
American Chemical Society ({ACS}), 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c03189
DOI ID：10.1021/acs.jpcc.0c03189, ORCID：72772604 - Orientation of Ligand Field for Dangling Manganese in Photosynthetic Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II
Hiroyuki Mino; Hiroki Nagashima
The Journal of Physical Chemistry B, 巻：124, 号：1, 開始ページ：128, 終了ページ：133, 2020年01月, ［査読有り］
American Chemical Society ({ACS}), 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.9b10817
DOI ID：10.1021/acs.jpcb.9b10817, ORCID：66440085 - Interfacial oxygen vacancies yielding long-lived holes in hematite mesocrystal-based photoanodes
Zhujun Zhang; Izuru Karimata; Hiroki Nagashima; Shunsuke Muto; Koji Ohara; Kunihisa Sugimoto; Takashi Tachikawa
NATURE COMMUNICATIONS, 巻：10, 2019年10月, ［査読有り］
Hematite (alpha-Fe2O3) is one of the most promising candidates as a photoanode materials for solar water splitting. Owing to the difficulty in suppressing the significant charge recombination, however, the photoelectrochemical (PEC) conversion efficiency of hematite is still far below the theoretical limit. Here we report thick hematite films (similar to 1500 nm) constructed by highly ordered and intimately attached hematite mesocrystals (MCs) for highly efficient PEC water oxidation. Due to the formation of abundant interfacial oxygen vacancies yielding a high carrier density of similar to 1020 cm(-3) and the resulting extremely large proportion of depletion regions with short depletion widths (<10 nm) in hierarchical structures, charge separation and collection efficiencies could be markedly improved. Moreover, it was found that long-lived charges are generated via excitation by shorter wavelength light (below similar to 500 nm), thus enabling long-range hole transfer through the MC network to drive high efficiency of light-to-energy conversion under back illumination.
NATURE PUBLISHING GROUP, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-019-12581-z
DOI ID：10.1038/s41467-019-12581-z, ISSN：2041-1723, Web of Science ID：WOS:000491858200021 - Controlled Orientations of Neighboring Tetracene Units by Mixed Self-Assembled Monolayers on Gold Nanoclusters for High-Yield and Long-Lived Triplet Excited States through Singlet Fission
Toshiyuki Saegusa; Hayato Sakai; Hiroki Nagashima; Yasuhiro Kobori; Nikolai V. Tkachenko; Taku Hasobe
Journal of the American Chemical Society, 巻：141, 号：37, 開始ページ：14720, 終了ページ：14727, 2019年09月, ［査読有り］
Copyright © 2019 American Chemical Society. Although tetracene (Tc) is well-known as a good candidate for singlet fission (SF), the number of high-yield and long-lived triplet excited states through SF is extremely limited because of the relative acceleration of the reverse triplet-triplet annihilation (TTA) considering the energy matching between a singlet and two triplet states. Systematic control of electronic interactions between two neighboring units using conventional covalent linkages and molecular assembly methods to optimize these kinetic processes is quite difficult because of the complicated synthesis and random orientations. In this study, we propose a novel supramolecular strategy utilizing mixed self-assembled monolayers (SAMs) with two different chain lengths. Specifically, mixed Tc-SAMs on gold nanoclusters, which are prepared using Tc-modified heterodisulfides with two different chain lengths, attain high-yield SF (φSF ≈ 90%) and individual triplet yields (φ? ≈ 160%). The obtained φSF is the highest value among Tc derivatives in homogeneous solution to the best of our knowledge.
American Chemical Society ({ACS}), 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.9b06567
Scopus：https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85072270985&origin=inward
Scopus Citedby：https://www.scopus.com/inward/citedby.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85072270985&origin=inward
DOI ID：10.1021/jacs.9b06567, ISSN：0002-7863, eISSN：1520-5126, ORCID：61325979, PubMed ID：31529955, SCOPUS ID：85072270985 - Long-lived Triplet Excitons Formed by Exergonic Intramolecular Singlet Fission of an Adamantane-linked Tetracene Dyad
Yasunori Matsui; Shuhei Kawaoka; Hiroki Nagashima; Tatsuo Nakagawa; Naoki Okamura; Takuya Ogaki; Eisuke Ohta; Seiji Akimoto; Shigeyuki Yagi; Yasuhiro Kobori; Hiroshi Ikeda
2019年03月
American Chemical Society ({ACS})
DOI：https://doi.org/10.26434/chemrxiv.7808435.v1
DOI ID：10.26434/chemrxiv.7808435.v1, ORCID：55047389 - Quantitative Sequential Photoenergy Conversion Process from Singlet Fission to Intermolecular Two-Electron Transfers Utilizing Tetracene Dimer
Shunta Nakamura; Hayato Sakai; Hiroki Nagashima; Yasuhiro Kobori; Nikolai V. Tkachenko; Taku Hasobe
ACS Energy Letters, 巻：4, 号：1, 開始ページ：26, 終了ページ：31, 2018年11月, ［査読有り］
American Chemical Society ({ACS}), 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b01964
DOI ID：10.1021/acsenergylett.8b01964, ISSN：2380-8195, eISSN：2380-8195, ORCID：51118023 - Synthesis, Structure and Electronic Properties of Graphitic Carbon Nitride Films
Hiroki Nagashima
The journal of physical chemistry C, 2018年10月, ［査読有り］
英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b07972
DOI ID：10.1021/acs.jpcc.8b07972, ORCID：49885004 - Identifying triplet pathways in dilute pentacene films
Daphné Lubert-Perquel; Enrico Salvadori; Matthew Dyson; Paul N. Stavrinou; Riccardo Montis; Hiroki Nagashima; Yasuhiro Kobori; Sandrine Heutz; Christopher; W.M. Kay
Nature Communications, 巻：9, 号：1, 開始ページ：4222, 終了ページ：4222, 2018年10月, ［査読有り］, ［国際誌］
Building efficient triplet-harvesting layers for photovoltaic applications requires a deep understanding of the microscopic properties of the components involved and their dynamics. Singlet fission is a particularly appealing mechanism as it generates two excitons from a single photon. However, the pathways of the coupled triplets into free species, and their dependence on the intermolecular geometry, has not been fully explored. In this work, we produce highly ordered dilute pentacene films with distinct parallel and herringbone dimers and aggregates. Using electron paramagnetic resonance spectroscopy, we provide compelling evidence for the formation of distinct quintet excitons in ambient conditions, with intrinsically distinctive electronic and kinetic properties. We find that the ability of quintets to separate into free triplets is promoted in the parallel dimers and this provides molecular design rules to control the triplets, favouring either enhanced photovoltaic efficiency (parallel) or strongly bound pairs that could be exploited for logic applications (herringbone).
英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-018-06330-x
DOI ID：10.1038/s41467-018-06330-x, ORCID：49011922, PubMed ID：30310077, PubMed Central ID：PMC6181988 - Singlet-Fission-Born Quintet State: Sublevel Selections and Trapping by Multiexciton Thermodynamics
Nagashima, Hiroki; Kawaoka, Shuhei; Akimoto, Seiji; Tachikawa, Takashi; Matsui, Yasunori; Ikeda, Hiroshi; Kobori, Yasuhiro
The journal of physical chemistry letters, 巻：9, 開始ページ：5855, 終了ページ：5861, 2018年09月, ［査読有り］
ACS Publications, 英語, 研究論文（学術雑誌）
ORCID：48687389 - Multiexciton Dynamics Depending on Intramolecular Orientations in Pentacene Dimers: Recombination and Dissociation of Correlated Triplet Pairs
Hayato Sakai; Ryutaro Inaya; Hiroki Nagashima; Shunta Nakamura; Yasuhiro Kobori; Nikolai V. Tkachenko; Taku Hasobe
Journal of Physical Chemistry Letters, 巻：9, 号：12, 開始ページ：3354, 終了ページ：3360, 2018年06月, ［査読有り］
Pentacene dimers bridged by a phenylene at ortho and meta positions [denoted as o-(Pc)2 and m-(Pc)2] were synthesized to examine intramolecular orientation-dependent multiexciton dynamics, especially focusing on singlet fission (SF) and recombination from correlated triplet pairs . Absorption and electrochemical measurements indicated strong intramolecular couplings of o-(Pc)2 relative to m-(Pc)2. Femtosecond and nanosecond TA measurements successfully demonstrated efficient SF in both dimers. In contrast, the dissociation process from the (TT) to the individual triplets was clearly observed in m-(Pc)2, which is in sharp contrast to a major recombination process in o-(Pc)2. Time-resolved electron spin resonance (TR-ESR) measurements demonstrated that the recombination and dissociation proceed from the quintet state of 5(TT) in m-(Pc)2. The rate constant of the SF was 2 orders of magnitude greater in o-(Pc)2 than that in m-(Pc)2 and was rationalized by enhanced electronic coupling between adjacent HOMOs of the Pc units.
American Chemical Society, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b01184
DOI ID：10.1021/acs.jpclett.8b01184, ISSN：1948-7185, ORCID：45425927, SCOPUS ID：85048051622 - Local Structural Modification of Ca2+-Depleted Photosystem II Detected by Proton Matrix ENDOR
Hiroki Nagashima; Hiroyuki Mino
Applied Magnetic Resonance, 巻：49, 号：8, 開始ページ：1, 終了ページ：10, 2018年04月, ［査読有り］
Angular dependence of the proton matrix electron nuclear double resonance (ENDOR) spectra was investigated in the oriented Ca2+-depleted Photosystem II (PS II). Six pairs of the proton signals have been previously detected in the untreated PS II and one of the six pairs has been disappeared in the Ca2+-depleted PS II (Nagashima and Mino, J Biol Chem 290:28166–28174, 2015), where the proton signals with 4 MHz separation were lost and assigned to the proton closest to the terminal Mn, labeled as Mn4 in the Mn cluster. In the oriented Ca2+-depleted PS II, the proton signal with 4 MHz separation was disappeared when the external magnetic field is parallel to the membrane normal n (θ = 0°). A pair of broad ENDOR signals with 1.4–2.0 MHz hyperfine coupling was detected in the oriented Ca2+-depleted PS II at θ = 90°. These results indicate the Ca2+-depletion derives the rearrangement of the hydrogen bonding of the water molecule surrounded Mn cluster.
Springer-Verlag Wien, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1007/s00723-018-1006-1
DOI ID：10.1007/s00723-018-1006-1, ISSN：0937-9347, ORCID：44570356, SCOPUS ID：85046032094 - Time-Resolved EPR Study on Singlet-Fission Induced Quintet Generation and Subsequent Triplet Dissociation in TIPS-Phenyl-Tetracene Aggregates
Hiroki Nagashima; Shuhei Kawaoka; Yasunori Matsui; Takashi Tachikawa; Hiroshi Ikeda; Yasuhiro Kobori
JOURNAL OF PHOTOPOLYMER SCIENCE AND TECHNOLOGY, 巻：31, 号：2, 開始ページ：163, 終了ページ：167, 2018年, ［査読有り］
The singlet fission (SF) is expected to be powerful tool for exceeding the theoretical limit of the power conversion efficiency on the organic solar cells. However, little is known on the intermolecular SF mechanism in the solid state. In the present study, we have investigated intermolecular SF in 2-phenyl-6,11-bis(triisopropylsilylethynyl)tetracene (TIPS-Ph-Tc) in frozen solutions using a time-resolved electron paramagnetic resonance measurement at a low temperature. SF-born quintet states (Q) and subsequent dissociations into two triplet states (T + T) were detected for a diluted solute concentration of 10(-4) M in dichloromethane. The microsecond triplet dissociation was found to occur due to the amorphous morphology in the frozen aggregate, suggesting that Q is generated as a trapped state. Furthermore, it was also suggested that the T + T dissociation follows the Q generation due to a T-T repulsion, whose energy were determined by the negative exchange couplings in the triplet pairs, (TT).
TECHNICAL ASSOC PHOTOPOLYMERS,JAPAN, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.2494/photopolymer.31.163
DOI ID：10.2494/photopolymer.31.163, ISSN：0914-9244, ORCID：48141756, Web of Science ID：WOS:000440124400004 - Multiple Quintets via Singlet Fission in Ordered Films at Room Temperature
Lubert-Perquel; Daphn{\'e; Salvadori, Enrico; Dyson, Matthew; Stavrinou; Paul N.; Montis, Riccardo; Nagashima, Hiroki; Kobori, Yasuhiro; Heutz, Sandrine; d Kay; Christopher WM
arXiv preprint arXiv:1801.00603, 2018年, ［査読有り］
研究論文（学術雑誌）
ORCID：42527264 - Magnetic structure of manganese cluster in photosystem II investigated by electron paramagnetic resonance
Nagashima, Hiroki; Asada, Mizue; Mino, Hiroyuki
Biophysics and Physicobiology, 巻：15, 開始ページ：45, 終了ページ：50, 2018年, ［査読有り］
The Biophysical Society of Japan, 研究論文（学術雑誌）
ORCID：42527056 - Dimeric Structure of the Blue Light Sensor Protein Photozipper in the Active State
Ozeki, Kohei; Tsukuno, Hiroyuki; Nagashima, Hiroki; Hisatomi, Osamu; Mino, Hiroyuki
Biochemistry, 巻：57, 号：5, 開始ページ：494, 終了ページ：497, 2017年12月, ［査読有り］
ACS Publications, 英語, 研究論文（学術雑誌）
ORCID：42527027 - Regulated Electron Tunneling of Photoinduced Primary Charge Separated State in the Photosystem II Reaction Center
Masashi Hasegawa; Hiroki Nagashima; Reina Minobe; Takashi Tachikawa; Hiroyuki Mino; Yasuhiro Kobori
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS, 巻：8, 号：6, 開始ページ：1179, 終了ページ：1184, 2017年03月, ［査読有り］
In initial events of the photosynthesis by higher plants, the photosystem II (PSII) generates photoinduced primary charge-separated (CS) state composed of reduced pheophytin (Pheo(D1)(-center dot)) and oxidized special pair (P+center dot) in chlorophyll a (Chla) P-D1/P-D2 in the D-1/D-2 heterodimer, ultimately leading to the water oxidation at the oxygen-evolving Mn4CaO5 cluster by P+center dot. To understand the mechanism of the efficient generation of initially localized CS state (P-D1(+center dot) Pheo(D1)(-center dot)), we have characterized cofactor geometries and electronic coupling of the photoinduced primary CS state in quinone prereduced membrane of PSII from spinach using the time-resolved electron paramagnetic resonance method. It has been revealed that the electronic coupling between the charges is significantly weak in the CS state separated by 1.5 nm, showing the importance of regulated cofactor-cofactor electronic interaction between a vinyl substituent in Pheo(D1) and an accessory chlorophyll to inhibit the energy-wasting charge recombination after the primary electron-transfer processes.
AMER CHEMICAL SOC, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b00044
DOI ID：10.1021/acs.jpclett.7b00044, ISSN：1948-7185, ORCID：37329641, Web of Science ID：WOS:000396975600014 - Hyperfine Sublevel Correlation Spectroscopy Studies of Iron-Sulfur Cluster in Rieske Protein from Green Sulfur Bacterium Chlorobaculum tepidum
Hiroki Nagashima; Hiraku Kishimoto; Risa Mutoh; Naotaka Terashima; Hirozo Oh-oka; Genji Kurisu; Hiroyuki Mino
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B, 巻：121, 号：12, 開始ページ：2543, 終了ページ：2553, 2017年03月, ［査読有り］
The magnetic properties of the Rieske protein purified from Chlorobaculum tepidum were investigated using electron paramagnetic resonance and hyperfine sublevel correlation spectroscopy (HYSCORE). The g-values of the Fe2S2 center were g(x) = 1.81, g(y) = 1.90, and g(z) = 2.03. Four classes of nitrogen signals were obtained by HYSCORE. Nitrogens 1 and 2 had relatively strong magnetic hyperfine couplings and were assigned as the nitrogen directly ligated to Fe. Nitrogens 3 and 4 had relatively weak magnetic hyperfine couplings and were assigned as the other nitrogen of the His ligands and peptide nitrogen connected to the sulfur atom via hydrogen bonding, respectively. The anisotropy of nitrogen 3 reflects the different spin density distributions on the His ligands, which influences the electron transfer to quinone.
AMER CHEMICAL SOC, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.6b12968
DOI ID：10.1021/acs.jpcb.6b12968, ISSN：1520-6106, ORCID：37329643, Web of Science ID：WOS:000398247700003 - Location of Methanol on the S-2 State Mn Cluster in Photosystem II Studied by Proton Matrix Electron Nuclear Double Resonance
Hiroki Nagashima; Hiroyuki Mino
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS, 巻：8, 号：3, 開始ページ：621, 終了ページ：625, 2017年02月, ［査読有り］
Proton matrix electron nuclear double resonance (ENDOR) spectroscopy was performed to specify the location of the methanol molecule near the manganese cluster in photosystem II. Comparison of the ENDOR spectra in the presence of CH3OH and CD3OH revealed two pairs of hyperfine couplings, 1.2 MHz for A(perpendicular to) and 2.5 MHz for A(//), arising from the methyl group in methanol. On the basis of the crystal structure, the possible location of methanol close to the manganese cluster was discussed.
AMER CHEMICAL SOC, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b00110
DOI ID：10.1021/acs.jpclett.7b00110, ISSN：1948-7185, ORCID：37329645, Web of Science ID：WOS:000393443400014 - ESR 分光法による光化学系 II の酸素発生系 Mn クラスターの構造解析
浅田瑞枝; 長嶋宏樹; 三野広幸
生物物理, 巻：57, 号：1, 開始ページ：011, 終了ページ：14, 2017年, ［査読有り］Electronic structure of Manganese cluster in photosystem II was investigated by Electron Spin Resonance (ESR) spectroscopy. Spin projections on Mn ions in S2 state manganese cluster were determined by Pulsed Electron-Electron Double Resonance (PELDOR). Protons surrounded manganese cluster were detected by Electron Nuclear Double Resonance (ENDOR). Based on obtained spin projections, ENDOR signals were assigned to the water molecules ligated to manganese cluster. PELDOR technique was applied to the determination of the high affinity Mn2+ site in apo-photosystem II, which is the key site of photo-activation process of manganese cluster.
一般社団法人 日本生物物理学会, 日本語
DOI：https://doi.org/10.2142/biophys.57.011
DOI ID：10.2142/biophys.57.011, ISSN：0582-4052, CiNii Articles ID：130005296470, CiNii Books ID：AN00129693, ORCID：37329661 - Proton Matrix ENDOR Studies on Ca2+-depleted and Sr2+-substituted Manganese Cluster in Photosystem II
Hiroki Nagashinna; Yoshiki Nakajima; Jian-Ren Shen; Hiroyuki Mino
JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, 巻：290, 号：47, 開始ページ：28166, 終了ページ：28174, 2015年11月, ［査読有り］
Proton matrix ENDOR spectra were measured for Ca2+-depleted and Sr2+-substituted photosystem II (PSII) membrane samples from spinach and core complexes from Theymosynechococcus vulcanus in the S-2 state. The ENDOR spectra obtained were similar for untreated PSII from T. vulcanus and spinach, as well as for Ca2+-containing and Sr2+-substituted PSII, indicating that the proton arrangements around the manganese cluster in cyanobacterial and higher plant PSII and Ca2+-containing and Sr2+-substituted are similar in the S-2 state, in agreement with the similarity of the crystal structure of both Ca2+-containing and Sr2+-substituted PSII in the Si state. Nevertheless, slightly different hyperfine separations were found between Ca2+-containing and Sr2+-substituted PSII because of modifications of the water protons ligating to the Sr2+ ion. Importantly, Ca2+ depletion caused the loss of ENDOR signals with a 1.36-MHz separation because of the loss of the water proton W4 connecting Ca2+ and Y, directly. With respect to the crystal structure and the functions of Ca2+ in oxygen evolution, it was concluded that the roles of Ca2+ and Sr2+ involve the maintenance of the hydrogen bond network near the Ca2+ site and electron transfer pathway to the manganese cluster.
AMER SOC BIOCHEMISTRY MOLECULAR BIOLOGY INC, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1074/jbc.M115.675496
DOI ID：10.1074/jbc.M115.675496, ISSN：0021-9258, eISSN：1083-351X, ORCID：37329644, Web of Science ID：WOS:000365761900012 - 2P258 Ca除去とSr置換をしたMnクラスターのENDOR法による研究(18B. 光生物:光合成,ポスター,第52回日本生物物理学会年会(2014年度))
Nagashima Hiroki; Nakajima Yoshiki; Shen Jian-Ren; Mino Hiroyuki
生物物理, 巻：54, 号：1, 開始ページ：S237, 2014年
一般社団法人 日本生物物理学会, 英語
DOI：https://doi.org/10.2142/biophys.54.S237_6
DOI ID：10.2142/biophys.54.S237_6, CiNii Articles ID：110009932804 - Highly resolved proton matrix ENDOR of oriented photosystem II membranes in the S-2 state
Hiroki Nagashima; Hiroyuki Mino
BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOENERGETICS, 巻：1827, 号：10, 開始ページ：1165, 終了ページ：1173, 2013年10月, ［査読有り］
Proton matrix ENDOR was performed to investigate the protons close to the manganese cluster in oriented samples of photosystem II (PS II). Eight pairs of ENDOR signals were detected in oriented PS II membranes. At an angle of theta = 0 degrees between the membrane normal vector n and the external field H-0, five pairs of ENDOR signals were exchangeable in D2O medium and three pairs were not exchangeable in D2O medium. The hyperfine splitting of 3.60 MHz at theta = 0 degrees increased to 3.80 MHz at theta = 90 degrees. The non-exchangeable signals with 1.73 MHz hyperfine splitting at theta = 0 degrees, which were assigned to a proton in an amino acid residue, were not detected at theta = 90 degrees in oriented PS II or in non-oriented PS II. Highly resolved spectra show that only limited numbers of protons were detected by CW-ENDOR spectra, although many protons were located near the CaMn4O5 cluster. The detected exchangeable protons were proposed to arise from the protons belonging to the water molecules, labeled W1-W4 in the 1.9 angstrom crystal structure, directly ligated to the CaMn4O5 cluster, and nearby amino-acid residue. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.
ELSEVIER SCIENCE BV, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2013.06.001
DOI ID：10.1016/j.bbabio.2013.06.001, ISSN：0005-2728, ORCID：37329646, Web of Science ID：WOS:000323798800004 - Electronic structure of S-2 state of the oxygen-evolving complex of photosystem II studied by PELDOR
Mizue Asada; Hiroki Nagashima; Faisal Hammad Mekky Koua; Jian-Ren Shen; Asako Kawamori; Hiroyuki Mino
BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOENERGETICS, 巻：1827, 号：3, 開始ページ：438, 終了ページ：445, 2013年03月, ［査読有り］
Photosynthetic water splitting is catalyzed by a Mn4CaO5 cluster in photosystem II, whose structure was recently determined at a resolution of 1.9 angstrom [Umena, Y. et al. 2011, Nature, 473:55-60]. To determine the electronic structure of the Mn4CaO5 cluster, pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) measurements were performed for the tyrosine residue Y-D(center dot) and S-2 state signals with non-oriented and oriented photosystem II (PS H) samples. Based on these measurements, the spin density distributions were calculated by comparing with the experimental results. The best fitting parameters were obtained with a model in which Mn1 has a large positive projection, Mn3 has a small positive projection, and Mn2 and Mn4 have negative projections (the numbering of Mni (i=1-4) is based on the crystal structure at a 1.9 angstrom resolution), which yielded spin projections of 1.97, -120, 1.19 and -0.96 for Mn1-4 ions. The results show that the Mn1 ion, which is coordinated by H332, 0342 and E189, has a valence of Mn(III) in the S-2 state. The sign of the exchange interactions J(13) is positive, and the other signs are negative. 2(C) 013 Els,evier B.V. All rights reserved.
ELSEVIER SCIENCE BV, 英語, 研究論文（学術雑誌）
DOI：https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2012.12.011
DOI ID：10.1016/j.bbabio.2012.12.011, ISSN：0005-2728, eISSN：1879-2650, ORCID：37329642, Web of Science ID：WOS:000315249000023 - 3D0900 膜配向したPS IIのENDOR法によるMnクラスター周辺のプロトンの位置の決定(光生物-光合成,口頭発表,日本生物物理学会第50回年会(2012年度))
Nagashima Hiroki; Mino Hiroyuki
生物物理, 巻：52, 開始ページ：S61, 終了ページ：S62, 2012年
一般社団法人 日本生物物理学会, 英語
DOI：https://doi.org/10.2142/biophys.52.S61_6
DOI ID：10.2142/biophys.52.S61_6, CiNii Articles ID：110009584815 - 3D1022 光化学系II酸素発生系S_2状態におけるMn間磁気的相互作用の解明(光生物-光合成,口頭発表,日本生物物理学会第50回年会(2012年度))
Asada Mizue; Nagashima Hiroki; Koua Faisal Hammad Mekky; Shen Jian-Ren; Mino Hiroyuki
生物物理, 巻：52, 開始ページ：S63, 2012年
一般社団法人 日本生物物理学会, 英語
DOI：https://doi.org/10.2142/biophys.52.S63_1
DOI ID：10.2142/biophys.52.S63_1, CiNii Articles ID：110009584821
- 26aXC-3 ENDORによる光合成酸素発生系S_2状態の磁気構造と分子構造(26aXC 化学物理1,領域12(ソフトマター物理,化学物理,生物物理))
三野 広幸; 長嶋 宏樹; 浅田 瑞枝
日本物理学会講演概要集, 巻：68, 号：1, 開始ページ：414, 終了ページ：414, 2013年03月26日
一般社団法人日本物理学会, 日本語
ISSN：1342-8349, CiNii Articles ID：110009643924, CiNii Books ID：AA11439205
- The quintet state generation process via inter- and intra-molecular singlet fission
Hiroki Nagashima; Yasui Matsunori; Shuhei Kawaoka; Seiji Akimoto; Takashi Tachikawa; Hiroshi Ikeda; Yasuhiro Kobori
Rocky Mountain Conference 2019, 2019年07月, ［国際会議］
英語, ポスター発表 - EPR and ENDOR studies on geometry of the reaction intermediates
長嶋宏樹
4th Kanto Area Spin Chemistry Meeting, 2018年11月, ［招待有り］, ［国内会議］
英語, 口頭発表（一般） - 時間分解EPR法による、一重項分裂により生成した三重項対のダイナミクスの解析
長嶋宏樹
電子スピンサイエンス学会年会2018, 2018年11月, ［国内会議］
日本語, 口頭発表（一般） - The mechanism of efficient charge separation reaction in photosystem II of higher plants
長嶋宏樹; 長谷川将司; 見延玲奈; 三野広幸; 小堀康博
生物物理学会年会2017, 2017年09月, ［国内会議］
英語, ポスター発表
- 生体分子の構造が生み出す磁気応答機構
国立研究開発法人 科学技術振興機構, 戦略的創造研究推進事業（さきがけ）, 2024年10月 - 2028年03月
埼玉大学, 研究代表者
課題番号：JPMJPR24F7 - 任意波形磁気共鳴と磁場方向スイッチングによる新しいスピン操作と反応制御
日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 挑戦的研究(萌芽), 2023年06月30日 - 2026年03月31日
前田 公憲; 長嶋 宏樹, 埼玉大学
配分額（総額）：6500000, 配分額（直接経費）：5000000, 配分額（間接経費）：1500000
課題番号：23K17662 - 電子スピン共鳴法によるヨーロッパコマドリ由来クリプトクロムの光誘起構造変化の観測
日本学術振興会, 科学研究費助成事業 若手研究, 若手研究, 2021年04月01日 - 2023年03月31日
長嶋 宏樹, 埼玉大学
配分額（総額）：4680000, 配分額（直接経費）：3600000, 配分額（間接経費）：1080000
クリプトクロムは動物の磁気感受の第一候補タンパク質である。クリプトクロムは青色光 を吸収して, 光誘起電荷分離反応によりラジカルペアを形成する。ラジカルペアの磁場効果 により, 磁場を感じることができるのだと考えられている。しかしクリプトクロムが, “ラジカルペアを形成した後にどのような構造変化を起こしているのか” はわかっておらず, その磁場を感じた後のシグナルがどのようにして送られて鳥の脳に伝わっているかは全くの未解明である。本研究は, それらの地磁気効果の後のメカニズムを明らかにするために, ラジカルを観測可能な電子スピン共鳴を用い, 光で形成されるラジカルおよびスピンラベルされたタンパク質の観測を行うものである。
本研究で計画した実験の遂行については新型コロナウィルスの影響と世界的な半導体の不足のために大幅に遅れている。その代わりに, クリプトクロムをはじめとするタンパク質へのスピンラベリング法の再検討をおこなった。本計画では, システインをターゲットとしたスピンラベル法を想定していたが, システイン残基はクリプトクロムのメカニズムに重要な役割を果たしている可能性があると考えられる。そこで, システインへのスピンラベルに代わる方法を検討し, 具体的な計画を策定し, 共同研究を開始した。今後, 有機合成も応用しながら, スピンラベルしたタンパク質の調製を行い, 本研究計画で提案した距離計測を行う。
課題番号：21K14581 - 人工光合成の学理：タンタル酸ナトリウム光触媒をプラットフォームとする多国間協働
日本学術振興会, 科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B)), 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B)), 2018年10月09日 - 2022年03月31日
大西 洋; 一國 伸之; 丸山 伸伍; 橘田 晃宜; 長嶋 宏樹, 神戸大学
配分額（総額）：17940000, 配分額（直接経費）：13800000, 配分額（間接経費）：4140000
「金属酸化物半導体にドーピングした金属イオンは結晶の完全性を損なう不純物であるにもかかわらず、どうして電子-正孔再結合を抑制して光触媒反応の量子効率を向上させるのか?」この問いに答える多国間協働チームを組織し、金属酸化物半導体の光励起・電子-正孔再結合・励起キャリア輸送・表面化学反応に関連する新しいサイエンスの発見を目的とする4年プロジェクトの2年次である。
(1)傾斜組成をもつ薄膜結晶の合成と解析：Sr2+濃度を傾斜させたNaTaO3薄膜をパルスレーザー蒸着法(PLD)を用いてLaAlO3結晶基板上にヘテロエピタキシャル成膜した。微粒子として合成した光触媒と同じく、Sr2+がペロブスカイト構造をもつホスト結晶のAサイトとBサイトを同時置換することをX線吸収分光（XAFS）をもとに結論した。
(2)界面選択的な振動分光による吸着種の化学分析：MgO単結晶にチタン酸ストロンチウム（SrTiO3）薄膜をPLD蒸着した。マックスプランク高分子研究所へ持参して液体水との界面に生じる化学種の振動スペクトルを和周波分光（SFG）で観測する計画である。
(3)顕微計測法による評価：Sr2+をドーピングしたKTaO3光触媒微粒子中のSr2+濃度分布を走査型透過電子顕微鏡(STEM)による元素マッピングで可視化した成果を論文発表した。
(4)ドーピング元素の拡張：La3+と遷移金属（Fe3+またはMn3+）を共ドーピングしたNaTaO3光触媒を合成し、X XAFS・赤外吸収分光・ラマン分光などで計測評価して論文発表した。
（5）長嶋宏樹（研究分担者）がMichael Wasielewski教授（Northwestern University）のもとに2019年4月から6ヶ月滞在し、半導体光励起ダイナミクスをパルスESRと赤外分光を用いて解析した。
課題番号：18KK0161 - 一重項分裂により生じた多重励起子におけるスピン変換メカニズムの解明
日本学術振興会, 科学研究費助成事業 若手研究, 若手研究, 2019年04月01日 - 2021年03月31日
長嶋 宏樹, 埼玉大学
配分額（総額）：4290000, 配分額（直接経費）：3300000, 配分額（間接経費）：990000
一重項分裂（singlet fission，SF）は一つの励起一重項状態から2つの三重項状態を形成する反応で、太陽電池の効率を引き上げる方法として注目されている。SFはスピン許容遷移であり、まず一重項状態の三重項励起子ペア1(TT)が形成される . 次にそれが五重項状態5(TT)へと変換される. これは実際に時間分解電子スピン共鳴 (TREPR)法で近年観測された(Weiss et al., Nature Physics 2017, Tayebjee et al., Nature Physics 2017)。多重励起子が五重項状態を形成することで、S0 + S0状態への失活や、逆反応である三重項三重項消滅(TTA)が一重項状態1(TT)の場合と比べてより抑制できると考えられる。そのため, 一重項分裂反応の応用のために, このスピン変換機構を理解することが重要である。
申請者はこれまでに, 時間分解電子スピン共鳴計測により、五重項状態の形成を確認した。凝集体や結晶においては, 三重項励起子対が分子のオーダーした領域において ピコ秒-ナノ秒のスケールで移動することにより、全体として一重項状態にあった励起子対から五重項状態励起子対へと変換するS-Qミキシング(一重項-五重項混 合)反応が起こっていると提案している。
さらに新規の金ナノ粒子表面にSF材料を結合させたような系においても重要であることを時間分解電子スピン計測およびシミュレーションから. またSF材料の二量体における五重項状態の観測から、励起子が動かない系で五重項形成が一種の緩和効果によるとするモデルを提案した. 以上の成果をThe Journal of Physical Chemistry Cなどにおいて発表した.
課題番号：19K15506 - 時間分解電子スピン共鳴による光誘起ラジカルペアの構造解析法の開発と応用
日本学術振興会, 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費, 特別研究員奨励費, 2017年04月26日 - 2020年03月31日
長嶋 宏樹, 神戸大学
配分額（総額）：4420000, 配分額（直接経費）：3400000, 配分額（間接経費）：1020000
一重項分裂（singlet fission，SF）は一つの励起一重項状態から2つの三重項状態を形成する反応で、太陽電池の効率を引き上げる方法として注目されている。SFはスピン許容遷移であり、まず一重項状態の三重項励起子ペア1(TT)が形成される。次にそれが五重項状態5(TT)へと変換され、実際に時間分解電子スピン共鳴(TREPR)法で観測されている(Weiss et al., Nature Physics 2017, Tayebjee et al., Nature Physics 2017)。多重励起子が五重項状態を形成することは重要で、S0 + S0状態への失活や、逆反応である三重項三重項消滅(TTA)によるS1 + S0状態の再生が、一重項状態1(TT)の場合と比べてより抑制されている。そのため1(TT)から5(TT)へのスピン変換は太陽電池、発光デバイス、アップコンバージョン材料などの応用への鍵となる過程であり、スピン変換機構の解明が重要である。
本研究では, 時間分解電子スピン共鳴計測を行い、五重項状態の形成を確認した。凝集体や結晶においては, 三重項励起子対が分子のオーダーした領域においてピコ秒-ナノ秒のスケールで移動することにより、全体として一重項状態にあった励起子対から五重項状態励起子対へと変換するS-Qミキシング(一重項-五重項混合)反応が起こっていると提案した。このような機構は溶液における凝集体や金ナノ粒子表面にSF材料を結合させたような系において重要であることを明らかにした. またSF材料の二量体における五重項状態の観測から、励起子が動かない系で五重項形成が一種の緩和効果によるとするモデルを提案した. 以上の成果をThe Journal of Physical Chemistry Cなどにおいて発表した.
課題番号：17J01125 - ＥＮＤＯＲ法による光合成酸素発生における基質水分子の同定及び反応メカニズムの解明
日本学術振興会, 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費, 特別研究員奨励費, 2014年04月25日 - 2017年03月31日
長嶋 宏樹, 名古屋大学
配分額（総額）：3200000, 配分額（直接経費）：3200000
酸素発生型光合成は光エネルギーを利用して、二酸化炭素を化学エネルギー源である糖に変換する反応で、水を電子源として酸素を作り出す。光合成における酸素発生は植物やシアノバクテリアのもつ葉緑体の光化学系IIタンパク質複合体内にあるMnクラスターで行われる。マンガンクラスターは酸化状態の異なる5つの状態S0-S4を持ち、光エネルギーを吸収して酸化され状態が遷移する。最も酸化されたS4状態になると酸素を作り出して最も還元されたS0状態へと戻る。近年のX線結晶構造解析の分解能向上によりマンガンクラスターの構造が明らかにされ、基質の候補と成る4つの配位水分子の位置も明らかにされたが、各S状態遷移における構造変化やプロトン放出機構は未だ明らかではない。
本研究ではさらにマンガンクラスター近傍に位置する水、アミノ酸に加えて、添加したメタノール分子のプロトンの位置について電子核二重共鳴測定により明らかにした. メタノール分子はマンガンクラスター近傍の重要な水素結合ネットワークにはおらず、間接的にマンガンクラスターと相互作用していることがわかり、また、近年計算手法により提案された水素放出機構や基質水分子の取り込みを阻害しないことがわかった。メタノールの位置解明は、プロトン放出や基質水分子の取り込み機構解明への手がかりとなる重要な成果で、The journal of physical chemistry letters誌に2017年1月に掲載された.(Nagashima and Mino, J Phys Chem Lett, 2017, 8, 621-625)
課題番号：14J11113