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2018 Fiscal Year Annual Research Report

光生物学の革新を指向した励起三重項制御基盤の確立

Research Project

Project/Area Number 17H04799
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

楊井 伸浩  九州大学, 工学研究院, 准教授 (90649740)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywordsフォトン・アップコンバージョン / 光物性 / 励起三重項
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、空気中・水中でフォトン・アップコンバージョンを達成することにより、バイオ分野への展開を目指している。フォトン・アップコンバージョンを用いることで生体透過性の高い長波長光を短波長光に変換し、バイオイメージングや光線力学療法へ利用することが期待されているが、水中に溶存する酸素による消光が問題となっていた。
本年度は水中で分子を適切に集合化し、酸素による消光を防ぐ方法論を確立した。色素部位にアルキル鎖と末端にアンモニウム基を修飾した両親媒性色素分子を合成した。この両親媒性色素分子は水中で超分子集合体を形成するが、溶存酸素によりそのフォトン・アップコンバージョン発光は消光された。そこで脂肪酸アニオンと共集合化させたところ、最大で80%ほどのアップコンバージョン発光が酸素に消光されず、空気が飽和した水中において14.4%という高いアップコンバージョン効率を得ることに成功した。この結果より、色素周りの分子密度を高くすることにより励起三重項の酸素による失活を防ぐことが出来るという重要な知見を得た。酸素に不安定な化学種を水中で扱うことを可能にする新たな方法論になると期待される。
更に超分子集合化による水中フォトン・アップコンバージョンの概念を一般化し、より合成の容易なシンプルな系においてアップコンバージョン発光を達成することを試みた。スルホン酸を修飾した色素分子をゼラチンなどの生体高分子と界面活性剤と共集合化することにより、ヒドロゲルを得た。このヒドロゲルはゼラチンが形成する密な水素結合ネットワークにより、空気中において13.5%という高いアップコンバージョン効率を示した。ゼラチン、アガロース、アルギン酸ナトリウムなど様々な生体高分子を用いたヒドロゲルにおいて同様の空気中で安定なアップコンバージョン発光を確認し、簡便かつ一般性の高い方法であることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

水中において酸素による消光を防ぐための方法論を確立することに成功した。これまでの水素結合ネットワークの形成により酸素消光を防ぐという知見を更に一般化し、色素周りの分子密度を高めることが重要であるというより高次の概念を得た。これは酸素に不安定な化学種を水中で安定に扱うことを可能にする手法として、今後光化学や反応化学をはじめとした様々な分野における発展が期待される。更には空気中で高効率なアップコンバージョン発光を発現するヒドロゲルの創出に成功した。生体適合性の高い生体高分子を用いてヒドロゲルを合成していることから、今後の生体応用に向けて重要なステップとなった。

Strategy for Future Research Activity

これまでに得られた水中・空気中でのフォトン・アップコンバージョン発現に関する知見を駆使し、実際の生体応用に向けた研究を推し進める。近赤外光の照射により水中において可視アップコンバージョン発光を発生し、細胞の光応答を起こすことを試みる。

  • Research Products

    (28 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (6 results) Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 11 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      University of Cambridge
  • [Int'l Joint Research] University of MIlano-Bicocca(イタリア)

    • Country Name
      ITALY
    • Counterpart Institution
      University of MIlano-Bicocca
  • [Int'l Joint Research] University of Fribourg(スイス)

    • Country Name
      SWITZERLAND
    • Counterpart Institution
      University of Fribourg
  • [Int'l Joint Research] University of California, Santa Barbara(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      University of California, Santa Barbara
  • [Int'l Joint Research] University of Regensburg(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      University of Regensburg
  • [Int'l Joint Research]

    • # of Other Countries
      1
  • [Journal Article] Oligo(ethylene glycol)/alkyl-modified Chromophore Assemblies for Photon Upconversion in Water2019

    • Author(s)
      Haruki Rena、Kouno Hironori、Hosoyamada Masanori、Ogawa Taku、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      Chemistry - An Asian Journal

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1002/asia.201801666

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Supramolecular Crowding Can Avoid Oxygen Quenching of Photon Upconversion in Water2019

    • Author(s)
      Kimizuka Nobuo、Kouno Hiroyuki、Sasaki Yoichi、Yanai Nobuhiro
    • Journal Title

      Chemistry - A European Journal

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1002/chem.201806076

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Recent Progress in Photon Upconverting Gels2019

    • Author(s)
      Bharmoria Pankaj、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      Gels

      Volume: 5 Pages: 18~18

    • DOI

      10.3390/gels5010018

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Stimuli-Responsive Dual-Color Photon Upconversion: A Singlet-to-Triplet Absorption Sensitizer in a Soft Luminescent Cyclophane2018

    • Author(s)
      Mase Kazuma、Sasaki Yoichi、Sagara Yoshimitsu、Tamaoki Nobuyuki、Weder Christoph、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 57 Pages: 2806~2810

    • DOI

      10.1002/anie.201712644

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hybridizing semiconductor nanocrystals with metal-organic frameworks for visible and near-infrared photon upconversion2018

    • Author(s)
      Amemori Shogo、Gupta Rakesh Kumar、Bohm Marcus Leo、Xiao James、Huynh Uyen、Oyama Tomoki、Kaneko Kenji、Rao Akshay、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      Dalton Transactions

      Volume: 47 Pages: 8590~8594

    • DOI

      10.1039/C7DT04794K

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Translating MOF chemistry into supramolecular chemistry: soluble coordination nanofibers showing efficient photon upconversion2018

    • Author(s)
      Hosoyamada Masanori、Yanai Nobuhiro、Okumura Keisuke、Uchihashi Takayuki、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 54 Pages: 6828~6831

    • DOI

      10.1039/C8CC01594E

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Aggregation-free sensitizer dispersion in rigid ionic crystals for efficient solid-state photon upconversion and demonstration of defect effects2018

    • Author(s)
      Ogawa Taku、Yanai Nobuhiro、Fujiwara Saiya、Nguyen Thuc-Quyen、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry C

      Volume: 6 Pages: 5609~5615

    • DOI

      10.1039/C8TC00977E

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Donor-Acceptor-Collector Ternary Crystalline Films for Efficient Solid-State Photon Upconversion2018

    • Author(s)
      Ogawa Taku、Hosoyamada Masanori、Yurash Brett、Nguyen Thuc-Quyen、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 140 Pages: 8788~8796

    • DOI

      10.1021/jacs.8b04542

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Simple and Versatile Platform for Air-Tolerant Photon Upconverting Hydrogels by Biopolymer-Surfactant-Chromophore Co-assembly2018

    • Author(s)
      Bharmoria Pankaj、Hisamitsu Shota、Nagatomi Hisanori、Ogawa Taku、Morikawa Masa-aki、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 140 Pages: 10848~10855

    • DOI

      10.1021/jacs.8b05821

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solid-State Photon Upconversion Materials: Structural Integrity and Triplet-Singlet Dual Energy Migration2018

    • Author(s)
      Joarder Biplab、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 9 Pages: 4613~4624

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.8b02172

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Air-Sensitive Photoredox Catalysis Performed under Aerobic Conditions in Gel Networks2018

    • Author(s)
      Haring Marleen、Abramov Alex、Okumura Keisuke、Ghosh Indrajit、Konig Burkhard、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo、Diaz Diaz David
    • Journal Title

      The Journal of Organic Chemistry

      Volume: 83 Pages: 7928~7938

    • DOI

      10.1021/acs.joc.8b00797

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Functional chemistry of excited triplet state in molecular assemblies2019

    • Author(s)
      Nobuhiro Yanai
    • Organizer
      国際ワークショップ「スピン自由度を利用した光機能性材料:合成・計測・理論のインタープレイ」
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 励起三重項の機能化学:アップコンバージョンから超核偏極まで2019

    • Author(s)
      楊井伸浩
    • Organizer
      熊本大学工学部物質生命科学科
    • Invited
  • [Presentation] フォトン・アップコンバージョン有機材料2019

    • Author(s)
      楊井伸浩
    • Organizer
      新化学技術推進協会 (JACI) 先端化学・材料技術部会 新素材分科会 講演会
    • Invited
  • [Presentation] Photon Upconversion in Self-Assembled Molecular Systems2018

    • Author(s)
      Nobuhiro Yanai
    • Organizer
      Spring Meeting of the Polymer Society of Korea
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Photon Upconversion in Self-Assembled Molecular Systems2018

    • Author(s)
      Nobuhiro Yanai
    • Organizer
      Department of Chemistry, University of Liverpool
    • Invited
  • [Presentation] 分子集積系における励起三重項の機能化学2018

    • Author(s)
      楊井伸浩
    • Organizer
      第6回慶應有機化学若手シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] 励起三重項を機能化学する2018

    • Author(s)
      楊井伸浩
    • Organizer
      第50回構造有機化学若手の会夏の学校
    • Invited
  • [Presentation] Photon Upconversion in Self-Assembled Molecular Materials2018

    • Author(s)
      Nobuhiro Yanai
    • Organizer
      SPIE Optics + Photonics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Molecular Materials for Photon Upconversion2018

    • Author(s)
      Nobuhiro Yanai
    • Organizer
      ICPAC Langkawi 2018
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Photon Upconverting Molecular Systems2018

    • Author(s)
      Nobuhiro Yanai
    • Organizer
      Pusan National University
    • Invited
  • [Presentation] Photon Upconversion in Molecular Assemblies2018

    • Author(s)
      Nobuhiro Yanai
    • Organizer
      10th Asian Photochemistry Conference (APC) 2018
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2019-12-27  

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