電子と正孔の束縛対である励起子は、光と強く結合する準粒子であり、個々の分子やイオンとの相互作用に対して本質的に高い感度を有することから、単分子検出への応用が注目されている。半導体単層壁炭素管（SWCNT）中の励起子は、近傍の電荷や吸着分子に鋭敏に応答し、単分子光学検出器としての実証が進められている。一方、水和陽子は生体内のイオン輸送、酵素触媒反応、およびエネルギー変換過程において中心的な役割を担っており、そのナノ計測は科学的に重要な課題である。

　しかし、励起子の応答は環境雑音に容易に埋もれ、従来の計測では管軸方向の空間平均化により、特定の相互作用部位や化学事象への帰属が困難であった。また、水和水素イオンは小さく、固有の光学的特徴を持たず、水和構造が高速に揺動するため、分光学的に最も検出困難な化学種の一つであった。pH計はアンサンブル平均値しか報告できず、走査型トンネル顕微鏡や低温電子顕微鏡等の手法も、単イオン感度の欠如や非常温条件への制約という問題点があった。

　そこで、本研究ではsp³量子欠陥を導入したSWCNTの外壁をパリレンC保護膜で被覆し、管内部のみを水やイオンに開放する「細孔中の捕獲器（TIP）」構造を構築することによって、室温・液相条件下での単一水和水素イオンの光学的検出を実現した。欠陥に局在化した励起子が水和水素イオンと衝突すると、離散的かつ可逆的な発光エネルギーの切り替えが強度階段として観測され、確率的な捕獲・脱離事象が個別に識別された。さらにH⁺とD⁺の滞留時間差（同位体効果）も単一欠陥で分解された。計測にはCobolt社製561 nmレーザー（Cobolt Jive 500）を励起光源として用い、E₁₁およびEsp3励起子を生成し、超分光撮像による事象分解計測を行った。

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励起に使用された561nmレーザー

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　半導体を基盤とするフォトニック集積回路は、微小スケールで光を操作する高密度な基盤として、光通信、非線形光学、量子フォトニクス、生体センシングなど幅広い応用が期待されている。特に窒化ケイ素（Si₃N₄）は広い透過波長域、低伝搬損失、CMOS製造工程との互換性から有望な光導波路材料として注目されている。これらの回路の性能を最大化するには、導波路内部の共鳴モード、すなわち光場の空間分布を詳細に把握することが不可欠である。現在、こうした電磁共鳴モードの二次元的特性評価には、近接場光学顕微鏡（NSOM）や電子エネルギー損失分光（EELS）イメージングが主に用いられている。

　しかし、NSOMAやEELSは視野が狭く、高価かつ複雑な装置を必要とするため、産業的な大規模検査には適していない。一方、遠視野光学顕微鏡は非接触で広範囲の観察が可能であるが、回折限界により誘電体ナノ構造内部の共鳴モード微細分布の可視化には至っていなかった。

　そこで、本研究ではレーザー走査型飽和励起（SAX）顕微鏡法を適用し、光熱非線形散乱信号を抽出することで、この問題を解決した。Si₃N₄ナノワイヤにおいて、共鳴モードの腹の位置で光吸収が増大し、熱光学効果による散乱非線形性が生じることを実験的に確認した。3次非線形散乱信号を用いた画像再構成により、空間分解能を1.7倍向上させ、従来の遠視野光学顕微鏡では観察不可能であった周期的共鳴モード分布の可視化に成功した。光源には波長561 nmのCobolt社製連続波レーザー（Cobolt Jive）を用い、ナノワイヤの光熱非線形散乱応答を誘起するための励起光として使用した。

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レーザー走査型飽和励起顕微鏡法に使用された561nmレーザー

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　単層カーボンナノチューブ（SWCNT）のsp2格子にsp3量子欠陥を導入した有機色中心（OCC）は、深い励起子トラップを形成し、短波赤外領域において明るく鋭い発光を示す。これらの共有結合性欠陥は、本来弱い発光しか示さないナノチューブを、室温でも単一光子を放出可能な量子発光体へと変換できることから、生体イメージング、センシング、疾病検出への応用が期待され、近年急速に研究が進められている。一方、DNAは比類なきプログラム可能性で分子情報を符号化でき、一本鎖DNAはSWCNTに非共有結合的に巻き付き、核酸塩基がナノチューブ界面に空間的に配置された秩序構造を形成する。

　しかし、従来のsp3欠陥導入法は、アリールジアゾニウム塩や酸化試薬など自由拡散する小分子に依存しており、欠陥の導入が確率論的となり、化学的同一性や空間分布の制御に限界があった。また、酸化的手法では浅いsp2欠陥しか得られず、リンカーやハロゲン化ヌクレオチドを用いる手法ではDNAの合成的修飾が必要であり、天然の核酸塩基の同一性を欠陥エネルギーに直接反映させる一般的な化学的枠組みは存在しなかった。

　そこで、本研究ではSWCNT@DNA複合体内でその場ジアゾ化反応を行うことにより、天然の核酸塩基（アデニン、グアニン、シトシン）の一級芳香族アミンを選択的に活性化し、塩基特異的な光学特性を持つsp3量子欠陥の形成に成功した。チミンはアミンを持たないため化学的に不活性であり、プログラム可能なスペーサーとして機能する。欠陥の発光エネルギーは塩基の電子構造に依存し、時間依存密度汎関数理論計算とも一致した。Cobolt社製561 nmレーザーは、(6,5)-SWCNTのE22遷移と共鳴する光励起により、ジアゾニウム中間体の共有結合形成を促進する光トリガーとして使用された。DNA鋳型により欠陥導入の均一性が向上し、分子配列情報から量子光学機能への直接的な化学的橋渡しが実現された。

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単層カーボンナノチューブを励起した561nmレーザー

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　メソポーラス材料は、その高い比表面積と空間的閉じ込め効果により、分子センシング、触媒反応、分離技術、エネルギー変換などの先端技術において重要な役割を果たすことから、近年盛んに研究が進められている。特に、直径数ナノメートルの細孔を持つメソポーラスシリカ薄膜は、細孔内部を刺激応答性高分子で機能化することで、イオン輸送の制御や分子ゲーティングが可能となる。高分子の配置精度を向上させる手法として、レーザー光を用いて光反応性前駆体を局所的に重合させる直接レーザー描画法が注目されている。また、金ナノ粒子などのプラズモニック材料が示す局在表面プラズモン共鳴は、粒子近傍にナノスケールの増強電場を形成するため、局所的な光化学反応の誘起に有望である。

　しかし、従来のプラズモン誘起重合法では、プラズモニックナノ粒子と光開始剤の吸収波長が重複しているため、プラズモン近接場による選択的な重合だけでなく、レーザー遠方場による非選択的な重合も同時に進行するという問題があった。この遠方場重合を抑制するには照射エネルギーを閾値以下に制限する必要があり、自動化レーザー描画への応用が困難であった

　そこで本研究では、光開始剤P3TCMPAの吸収極大（446 nm）とプラズモン共鳴波長（545 nm）を115 nm離間させることで、561 nmレーザー照射時に開始剤の直接励起を抑制し、プラズモン選択的重合を実現した。Cobolt社製561 nm連続波レーザーを用いてメソポーラスシリカ薄膜内に埋め込んだ金ナノ球を励起し、ホットエレクトロン生成や熱移動による非放射的機構を介した重合開始を達成した。この手法により、エネルギー閾値に依存せず、遠方場重合を伴わない自動プラズモン選択的レーザー描画が可能となり、高分子スポットの側方分解能は最小40.7 μmに達した。

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プラズモンの励起に使用された561nmレーザー

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　超高速で光学特性を制御できる材料は、情報処理や能動光学素子の高度化に重要であることから研究が進展している。バナジウム二酸化物は温度や光照射により絶縁体から金属へ相転移する強相関酸化物であり、その転移はフェムト秒時間領域で生じる特性をもつ。また低温単斜晶相では結晶軸に沿った光学異方性を示す。レーザー誘起周期表面構造は、強いパルス光照射によりナノ周期の溝を自己組織的に形成する現象であり、光機能制御への応用が期待されている。本研究は単結晶バナジウム二酸化物において、結晶性を保持したまま方向制御可能な表面構造形成を実現するものである。

　しかし、従来のレーザー加工では表面が非晶質化や多結晶化しやすく、鋭い相転移特性が損なわれる問題があった。また形成構造は主に入射偏光方向に依存し、結晶固有の異方性を活用した方向制御や再書き込み性は十分に示されていなかった。

　そこで、本研究では1030nmフェムト秒レーザーにより一時的に金属状態を誘起し、表面波の形成を利用して周期構造を生成した。特に光励起初期に生じる異方的誘電応答により、cm軸方向のみに伝搬する運河化光が発現し、偏光に依存しない副調波構造が形成された。電子後方散乱回折により単結晶性が保持されることを確認した。さらに561nmのCobolt社製CWレーザーを回折光検出に用い、1030nmパルスで相転移を誘起すると回折強度が高速に変化し、可逆的光スイッチ動作を実証した。

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論文で使用されたCoboltのレーザー

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　二次元層状構造をもつファンデルワールス（vdW）材料において、単層極限でも磁性を示すことが近年明らかとなり、次世代のスピントロニクスやナノエレクトロニクス分野における応用が期待されている。特に、CrBr₃をはじめとする三ハロゲン化クロム化合物（CrX₃, X=Cl, Br, I）は、単層において強磁性的なスピン結合を示すとともに、磁化の容易軸方向が材料によって異なる特性を持つことが知られている。CrBr₃はその中でも層間強磁性的結合を持ち、ラマン散乱（RS）による振動モードの検出や、結晶構造の同定に優れる材料である。振動モードと磁気秩序が結びついていることから、RSは磁気相転移の観察にも有効である。さらに、CrBr₃は、局在的な励起子（フレンケル型）を有し、光学吸収やRSの共鳴条件において顕著な振る舞いを示す。このような背景のもと、本研究では薄膜CrBr₃におけるレーザー励起エネルギー、温度、膜厚の変化に対する振動および磁気応答を詳細に解析することを目的とした。

※ファンデルワールス材料（van der Waals materials）**とは、層と層の間がこのファンデルワールス力によってゆるく結びついている材料を指す。代表例には以下がある：
・グラフェン（炭素の単原子層）
・CrBr₃、CrI₃、CrCl₃などの二次元磁性体
・MoS₂、WSe₂などの遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDs）

　しかし、従来のCrBr₃に関する研究では、単一または限られた励起エネルギーによるラマン測定にとどまり、共鳴条件における電子励起とフォノンとの結合機構に関する系統的な解析が不足していた。特に、励起子との共鳴効果がどのようにRS強度や選択則に影響を与えるかについては明確な理解が得られておらず、また温度によるスピンフォノン結合やフェロ－パラ磁性転移の詳細な評価も限定的であった。膜厚依存性に関しても、層数とフォノンエネルギーの関係についての報告は散発的であり、原子層スケールでの共鳴効果に関する包括的理解が求められていた。

　そこで、本研究ではCrBr₃の薄膜試料に対し、1.96 eV、2.21 eV、2.41 eV、および3.06 eVの4種類の励起エネルギーを用いて、極低温（5 K）での共鳴ラマン散乱を測定した。12層のCrBr₃においては、3.06 eVの励起条件でRS強度が著しく増大し、これが電子間遷移との共鳴によるものと結論づけられた。共鳴状態では、Ag対称（面外振動）およびEg対称（面内振動）に分類される5つのフォノンモードが明瞭に観測され、第一原理計算によってその対称性も確認された。さらに、16層のCrBr₃フレークをhBNで封止した構造において温度依存性の測定を行い、50 K付近においてフォノンエネルギーの急激な赤方偏移が確認され、これがキュリー温度（TC）に対応する強磁性から常磁性への相転移と同定された。これにより、RSスペクトルにおけるエネルギーや強度の温度変化を用いて磁気相転移を高精度で評価できることが示された。膜厚依存性の解析では、3層から20層までのCrBr₃フレークを対象に測定を行い、フォノンエネルギーの顕著な変化は3–5層の薄膜領域に限られることが明らかとなった。これは、フレンケル励起子の強い空間局在性に起因し、共鳴ラマン応答が原子層スケールで顕著に変化することを示唆する。
なお、本研究ではCobolt社製のレーザー発振器（波長405 nm（3.06 eV）、515 nm（2.41 eV）、561 nm（2.21 eV））を使用し、CrBr₃の共鳴条件下における電子―フォノン結合の強度変化を解析する目的で用いた。これらのレーザーは共鳴状態のラマン散乱を誘起し、結晶内部の励起子状態とのエネルギー整合性を通じてRS強度を増大させる役割を果たした。

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ラマン分光で使用されたCoboltのレーザー

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　細胞や組織の内部で起こる複雑な現象を解明するためには、三次元的な空間情報を迅速に取得する体積イメージングが極めて重要である 。この技術は、高い空間分解能を維持しながら時間軸に沿った情報を保存できるため、細胞内の微細構造や動態を効果的に調査することを可能にする 。その中でも、特定の深さの体積情報を一層の平面に投影して単一露光で取得する「2.5次元顕微鏡」は、極めて高い撮影速度と光検出効率を両立する革新的な手法として注目されている 。この顕微鏡は「レイヤーケーキ」と呼ばれる多層ガラスを用いた受動的な光学素子を利用しており、光の波面を非干渉的に分割することで、九十五パーセント以上の高い透過率を実現する 。これにより、従来の空間光変調器を用いる手法に比べて光の損失が少なく、低光量での撮影が可能なため、細胞への光毒性や蛍光色素の退色を最小限に抑えた長期間の生細胞観察を実現できる優れた特性を有している 。また、ナノメートル規模の精度で分子の位置を特定する単一分子局在化顕微鏡や、個々の分子の動きを追跡する単一粒子追跡法は、生命科学における定量的な解析において不可欠な役割を担っている 。

　しかし、従来の体積イメージングは、重い対物レンズや試料台を垂直方向に物理的に動かす走査方式に依存しており、撮影速度が装置の移動速度に制限されるという課題がある 。また、多焦点面を同時に撮影する手法では、光の利用効率が著しく低下したり、信号対雑音比が悪化したりする問題が指摘されている 。2.5次元顕微鏡においても、投影時に広範囲の焦点外背景光が像に混入することで、特に信号が微弱な単一分子の検出精度が低下し、粒子追跡において焦点外へ逃げる分子を捉え続けられないという欠点があった 。

　そこで、本研究では高傾斜層状光シート照明（HILO照明）を導入することで、焦点外の背景光を約二分の一に低減し、高感度かつ高解像度な体積イメージングを実現した 。光源には多色蛍光標識された微小管の励起や、単一分子の精密な局在化および活性化を目的として、Cobolt社製のレーザー（波長488, 561, 638, 640, 405 nm）が使用された 。その結果、垂直走査を行うことなく三から四マイクロメートルの深さを一括で投影撮影することに成功し、生細胞内における単一粒子の追跡時間を約四倍に延長できることを実証した 。

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論文で使用されたCoboltのレーザー

本研究において使用されたCobolt社製のレーザーは、488 nm、561 nm、638 nm、および高出力の640 nmレーザーであり、単一分子観察や多色蛍光イメージングのために用いられた。特に、640 nmレーザー（Cobolt Bolero）はSMLMにおける強励起用として利用された。また、405 nmの活性化用レーザーもCobolt社製であり、単一分子のスパースな活性化を制御するためにファンクションジェネレータと組み合わせて使用された。

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　ベッセルビーム（Bessel Beam）は、光トラッピング、材料加工、蛍光顕微鏡など多くの応用分野で利用される非回折ビームである。従来のBB生成方法としては、アニュラースリットやアキシコン、空間光変調器（SLM）がある。アキシコンはコストが低く透過率が高いという利点があり、SLMは多段階位相プロファイルと動的制御が可能である。例えば、SLMを用いることで、マルチレベルの位相プロファイルを得ることができ、動的なビーム制御が可能となる。しかし、SLMは低いダメージ閾値と低い反射率という欠点があるため、従来のアキシコンは依然として良い選択肢である。特に、迅速なパラメータ変更や軸方向の強度分布の工学的改変が不要な場合、アキシコンはより適した選択肢となる。また、アキシコンを用いたBB生成法の改善例としては、調整可能なBBを生成する流体アキシコンや、特定のBBパターン用に設計された可変メタアキシコンなどがある。
　また、従来の光学システムでは、ベッセルビームのサイドローブが実験過程で干渉することがあり、これを解決するために多くの方法が開発されている。例えば、ベッセルビームの側波帯を抑制する検出方法や、ビームとサンプル間の相互作用を直接適応させる方法がある。これには、非線形励起やサイドローブによる励起の抑制、ビームシェーピングが含まれる。

　しかし、SLMは低いダメージ閾値と低い反射率という問題点がある。また、アキシコンを用いたベッセルビーム生成法は、パラメータ変更や軸方向の強度分布の工学的改変が難しいという課題がある。さらに、ベッセルビームのサイドローブが実験過程で干渉し、ノイズレベルを増加させることがある。

　そこで、本研究では、3つのアキシコンと2つのレンズを用いた新しい光学システム（SWANシステム）を提案した。このシステムは、コリメートされたアニュラーリング強度パターンを生成し、リングの直径を調整可能とする。さらに、マイケルソン干渉計を用いてベッセルビームのサイドローブを一方向にキャンセルする方法を紹介した。このシステムにより、ベッセルビームのパラメータを柔軟に調整でき、サイドローブを効率的に抑制することが可能となる。具体的には、二つのベッセルビームをコヒーレントに重ね合わせることで、一方の方向でサイドローブが強調され、他方の方向でキャンセルされることを理論的に示し、実験的に検証した。SWANシステムは、SLMやカスタム光学素子を使用する方法に比べて低コストであり、コリメートされた出力ビームを生成するため、干渉に有利である。

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論文で使用されたCoboltのレーザー

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　繊毛はほとんどの真核細胞に突き出た感覚器官であり、外部の信号を細胞体に伝える役割を果たしている。そのため、繊毛の正常な機能は細胞の正常な動作にとって非常に重要である。繊毛内部には細胞体とは異なる特定のタンパク質のプールが必要であり、この異なる組成を維持するために、真核細胞は特殊な細胞内輸送システムである**繊毛内輸送（IFT）**を使用している。IFTは、主にIFT-BおよびIFT-A複合体からなる大規模なポリマー構造であり、これらの複合体が規則的に繰り返されることで形成される。IFTトレインは、繊毛基底部で組み立てられ、キネシン-2モーターによって駆動されることで、繊毛基底部から移行領域（TZ）を経て繊毛の先端まで輸送される。C. elegansにおいては、順行性IFTは、ヘテロ三量体キネシン-IIとホモ二量体OSM-3の2つのキネシン-2モーターによって駆動される。キネシン-IIは移行領域を越える際に順行性IFTトレインをナビゲートし、その後徐々に速いOSM-3に置き換えられて、繊毛の先端まで輸送される。従来の研究では、蛍光回復法（FRAP）や構造解析により、繊毛基底部で順行性IFTトレインが段階的に組み立てられることが示されている。IFT-B複合体がテンプレートとして機能し、IFT-A、IFT-ダイニン複合体、およびキネシン-IIが順次結合することでトレインが形成される。さらに、いくつかの繊毛膜タンパク質が順行性IFTトレインに結合して移行領域を越えることが示されている。

　しかし、順行性IFTトレインがどのようにして繊毛基底部で組み立てられ、どのようにしてタンパク質がこれに結合するかはまだ完全には理解されていない。また、繊毛基底部でのIFTトレインの動態や、異なる繊毛タンパク質がどのようにしてIFTトレインと結合して移行領域をナビゲートするかについての理解も不十分である。

　そこで、本研究ではC. elegansの化学感覚ニューロンの繊毛をモデルシステムとして使用し、単一分子イメージングを用いて、キネシン-II、OSM-3、およびIFT-ダイニンモーターとチューブリンが繊毛にどのように入るかを直接観察した。**小窓照明顕微鏡法（SWIM）**を使用して、PHA/PHBニューロンペアの繊毛におけるこれらのタンパク質のエントリーを可視化し、単一粒子追跡を行った。これにより、IFT成分が時間的および空間的に順次トレインに結合することが示された。また、野生型および変異体の線虫におけるIFT成分の超解像マッピングを行い、キネシン-IIが軸糸の組織化に不可欠であることを明らかにした。特に、キネシン-IIおよび/または移行領域機能を欠く繊毛のイメージングにより、キネシン-IIとOSM-3の相互作用がIFTトレインを効率的に移行領域を越えて運ぶ上で重要な役割を果たしていることが示された。本研究では、Cobolt社製レーザーを用いて、SWIM法による単一分子イメージングのための蛍光励起および漂白に使用した。Cobolt社製のレーザー発振器は高いレーザー強度を提供し、長時間にわたり高信号対背景比の単一分子イベントのイメージングを可能にする。

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論文で使用されたCoboltの561nmレーザー

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　ゴルジ体は、タンパク質の修飾と輸送において重要な役割を果たすオルガネラである。特に、タンパク質のN-グリカン修飾は、タンパク質の機能と運命を決定するために重要である。このプロセスは、ゴルジ体内の特定の部位に局在する糖転移酵素によって行われる。これらの酵素は、シス、メディアル、トランスゴルジシスチルナエといったゴルジ体の異なる部分に分布しており、その位置に応じて異なる役割を果たす​​。従来の研究では、超解像顕微鏡技術を用いてこれらの酵素の詳細な分布を観察することが可能であり、ゴルジ体内の酵素分布の精密な解析が行われてきた。特に、3D超解像イメージングは、従来の光学顕微鏡では捉えきれないナノメートルスケールでの観察を可能にし、ゴルジ体の微細構造の理解に大きく貢献している​​。

　しかし、糖転移酵素の局在解析において、従来の技術では酵素間の共局在の定量的評価が困難であった。また、各酵素のサブゴルジ局在の微細な違いを十分に捉えることができず、酵素の分布パターンの詳細な理解が不十分であった​​。さらに、異なる酵素間の相互作用や分布のばらつきを正確に解析する手法が不足しており、酵素の局在メカニズムの解明には限界があった​​。

　そこで、本研究では3D超解像イメージングを用いて、糖転移酵素のサブゴルジ局在を詳細に解析した。具体的には、二色の蛍光タンパク質で標識した糖転移酵素を同時に観察し、その共局在度を定量化することで、酵素の分布パターンを高精度で解析した​​。さらに、糖転移酵素のN末端領域（細胞質領域、膜貫通領域、幹セグメント）を操作することで、これらの領域が酵素のサブゴルジ局在に与える影響を調査した​​。結果として、N末端領域を共有する酵素は高い共局在度を示し、この領域が酵素の局在を決定する重要な要因であることが明らかになった​​。
　実験にはCobolt社製レーザー（473 nm, 50 mW; 561 nm, 50 mW）およびCrystaLaser社製レーザー（671 nm, 100 mW）を用いた​​。これにより、ナノメートルスケールでの精密な蛍光イメージングが可能となり、各酵素の詳細な分布パターンを高精度で解析することができた。
　以上の結果から、本研究は糖転移酵素の局在メカニズムの理解に重要な知見を提供し、タンパク質の糖鎖修飾の精密な制御に向けた新たなアプローチを示した。これにより、臨床応用に向けた糖タンパク質の発現や修飾のプログラミングが進展することが期待される​​。

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超解像顕微鏡法で使用された473nmと561nmレーザー