2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Fluorescent Sensors for Water and Their Functional Dye Material Characteristics
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19H02754
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
大山 陽介 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (60403581)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 蛍光性センサー / 水 / 光誘起電子移動 / 分子内電荷移動 / 蛍光共鳴エネルギー移動 / 蛍光性水センサーフィルム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、蛍光性色素の光誘起電子移動(PET)、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)および分子内電荷移動(ICT)特性を利用して試料中や表面の水分を検出・定量化かつ可視化(蛍光発光による画像化)できる蛍光性水センサーを創製し、PET, FRETおよびICT特性に基づいた水分検出のメカニズムを解明することで、微量水分から高水分領域で使用できる水分検出・定量・可視化蛍光分析法の創成を目的とする。本研究を遂行するために、1)1波長励起・1波長発光特性のPET型およびPET-FRET型蛍光性水センサーを開発する、2)2波長励起・2波長発光および多色発光・多段階発光特性のICT型蛍光性水センサーを開発する、3)開発した蛍光性水センサーをポリマー化、分散させたフィルムの作製、および基板への固定化を達成し、機能性色素材料化を図る。本年度は、PET特性とFRET特性を有するPET-FRET型蛍光性水センサーDJ-1とDJ-2を合成し、有機溶媒中での水分に対する光学センシング特性を調査した。ドナー発光母体とPET型アクセプター発光母体で構成されているDJ-2に比べて、PET型ドナー発光母体とアクセプター発光母体で構成されているDJ-1は、優れたPET-FRET型蛍光性水センサーとして機能することがわかった。さらに、ICT型蛍光性水センサーとして、BODIPYのピリジン-ホウ素錯体ST-3-BF3を開発した。ST-3-BF3は、有機溶媒中の微量水分領域において、錯体解離(BF3の放出)によりST-3を形成することで、光吸収および蛍光スペクトルのシフトを引き起こすことがわかった。さらに、ソルバトフルオロクロミック(SFC)特性と凝集誘起発光(AIE)特性を有するSFC-AIE型蛍光性水センサーを開発し、微量水分から高水分量領域の水分検出に対抗可能な高感度光学センサーとして機能することを実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究成果において、PET-FRET型蛍光性色素が、微量水分を検出・定量・可視化できる蛍光分析法の確立に資する有望な水分検出に伴う蛍光増大型水センサーであることを実証し(Mater. Adv., 2020, 1, 354-362. Back Coverに採用)、研究目的の1)を達成した。さらに、ICT型蛍光性水が、溶液中の微量水分を検出可能な高感度光学センサーとして機能することを実証し(Mater. Chem. Front., 2020, 4, 2762-2771; RSC Adv., 2020, 10, 33836-33843)、研究目的の2)を達成した。一方、さらに、ソルバトフルオロクロミック(SFC)特性と凝集誘起発光(AIE)特性を有するSFC-AIE型蛍光性水センサーを開発し、微量水分から高水分量領域の水分検出に対抗可能な高感度光学センサーとして機能することを見出した(New J. Chem., 2021, 45, 4164-4173.Back Coverに採用)。現在、PET型蛍光性水センサーを分散させたフィルムの作製と水分に対する光学センシング特性の評価を完了し、国際学術誌にて研究成果を公表している（RSC Adv., 2021, DOI:10.1039/d1ra02673a, in press）。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに開発した蛍光性水センサーのフィルム化および基板への固定化と水分検出による蛍光センシング特性を評価することを目的として、PET、PET-FRETおよびICT型蛍光性水センサーを分散させたポリマーフィルム(センサーとポリマー粒を溶媒に溶解⇒スピンコートにより基板上に成膜⇒乾燥後に基板からフィルムを剥離)やコーティング膜(センサーを分散させたポリマー溶液を基板に散布)を作製する。ポリマーの種類(極性、親水性、疎水性)が、センサーの分散性や水分検出に伴う蛍光発光特性に及ぼす影響について調査する。さらに、ビニル基を導入した蛍光性水センサーを直接重合させたフィルムも作製する。一方で、アルコキシシラン-Si(OR)3を導入した蛍光性水センサーを合成し、その加水分解・重縮合反応(ゾル-ゲル法)により、ガラス基板やITO(Indium Tin Oxide)基板上に蛍光性水センサーの架橋型ポリシルセスキオキサン薄膜を作製する。ポリマーフィルムや薄膜中のセンサー分子と水分子(液体・気体)との反応性(接触)について調べ(光吸収・蛍光スペクトル、熱分析(TG-DTA, DSC)、FT-IR測定)、蛍光性水センサー固定化材料の水分に対する蛍光センシング特性(蛍光強度と水分量の相関性)を調査する。
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