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2015 年度 実施状況報告書

カーボンナノドットによる“on-off-on”型発光検出系の構築

研究課題

研究課題/領域番号 15K17874
研究機関東邦大学

研究代表者

森田 耕太郎  東邦大学, 理学部, 講師 (70396430)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2017-03-31
キーワードカーボンナノドット / センサー / 発光 / 検出
研究実績の概要

カーボンナノドット(CND)の発光挙動とその制御に基づいた”onーoffーon”型発光センサー開発を目的とした基礎検討を進めた。グルタチオンを原料として電気炉加熱分解法によって合成したCND(以下、GSHーCND)の発光挙動に対する種々の溶液条件の効果について検討した。水溶液中に分散したGSHーCNDの発光挙動は、中性領域を含む広いpH(3~10)条件と純水から濃厚な塩濃度条件(0~5mol/dm3)においてもほぼ影響を受けずに発光強度を維持できることが確認された。特に、高い塩濃度条件でも発光強度を維持できることは、生理食塩水(0.6~0.9wt/v%,約0.15mol/dm3)や海水(3wt/v%,約0.6mol/dm3)レベルの塩濃度の試料中での発光挙動観測が期待できる。貴金属ナノ粒子や半導体ナノドットでは塩析効果による沈殿生成が問題となりやすい環境水や生体内などの様々な溶液条件において、GSHーCNDが発光プローブとしての利用において大きなアドバンテージとなるが確認された。
GSHーCND分散液に酸化剤を添加するとGSHーCNDの発光強度が減少することが確認された。比較的強い酸化剤である過マンガン酸イオン(KMnO4ー)と次亜塩素酸イオン(ClOー)において消光効果は顕著であり、より高濃度領域では消光効果はゆるやかとなった。この消光挙動はStern-Volmer型の動的消光メカニズムでは解析できなかったこと、還元剤を追加しても発光強度の回復が見られなかったことから、”onーoffーon”型の発光強度変化としての利用には適していないことが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

詳細な応答メカニズムについては今後の検討課題ではあるが、酸化剤(KMnO4ー、ClOー)添加によるGSHーCNDの消光挙動は、酸化剤の濃度にして1~5μmol/dm3の範囲ではほぼ直線的に低下した。これに対して、その他の酸化剤(ClO3ーなど)では数mmol/dm3の濃度でも消光応答を示さなかったことから、溶液条件や濃度条件を精査することでKMnO4ーおよびClOーに対する選択的なセンサーとしての利用が可能であると期待される。しかしながら、GSHーCNDの発光挙動制御に基づいた”onーoffーon”型の応答機構の構築を試みたが、有用な条件を確立するには至らなかった。
デンプンを原料として合成したCND(以下、StaーCND)は、銅(II)などの金属イオン共存によって消光応答を示すことが予備検討による明らかとなった。また、金属イオンとCNDの相互作用はCND表面のカルボキシル基と金属イオンとの配位によるとされており、この消光状態は”onーoff”型であること見なすことができる。今後はStaーCNDよりも強く銅(II)に配位する、または、銅(II)を還元する共存物質による発光挙動変化を追跡する。これにより、金属配位性を示す無機陰イオンや還元性を示す生体関連物質の検出へと適用範囲を拡大する。

今後の研究の推進方策

当初の計画では、代表者がこれまでに検討した中で最も合成収率が高く、発光挙動が良好なCNDであるGSHーCNDを中心とした研究を進めた。しかしながら、本年度に得られた結果から、GSHーCNDの発光挙動制御に基づいた”onーoffーon”型の応答機構の構築を試みたが、有用な条件を確立するには至らなかった。GSHーCNDが溶液条件(pH、塩濃度)や共存物質(金属イオン、酸化剤、還元剤)による影響をほとんど受けず、外的要因による発光挙動変化が少ないCNDであることが主たる要因と考えられる。このことから、”onーoffーon”型の応答機構には、外的要因に敏感に発光挙動が変化するCNDを選択する必要があると考えられる。そこで、これまでの予備実験から金属イオンの共存によって発光強度の減少がみられたCNDに着目し、金属イオンおよびpH条件を精査することで、”onーoff”となる消光状態を実現することを喫緊の課題とする。さらに、金属イオンへの配位においてCNDと競合反応を示すと期待される化合物を探索するとともに、”onーoffーon”型の応答機構への展開を試みる。

次年度使用額が生じた理由

当初の計画ではカーボンナノドットの合成と精製のためにロータリーエバポレーターと溶媒回収装置の導入を予定していた。しかしながら、初年度の研究結果から、合成したカーボンナノドットは遠心分離操作による精製で、目的の濃度が得られることが判明した。そのため、濃縮操作で使用するロータリーエバポレーターの購入を見送った。

次年度使用額の使用計画

初年度の研究成果から、発光スペクトル測定で使用する四面透過石英セルの更新が、当初の目算よりも頻繁に必要であることが判明した。そのため、当初の計画通りロータリーエバポレーターの導入を視野に入れつつ、研究の展開によっては、石英セルや遠心分離精製に使用する遠心ろ過デバイスなどの比較的高価な消耗品の購入に充当する。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Potential-Dependent Adsorption and Orientation of meso-Substituted Porphyrins at Liquid|Liquid Interfaces Studied by Polarization-Modulation Total Internal Reflection Fluorescence Spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Sho Yamamoto, Hirohisa Nagatani, Kotaro Morita and Hisanori Imura
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 120 ページ: 7248-7255

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.6b02178

    • 査読あり
  • [学会発表] トロポロン-二座アミン協同効果系に基づく含浸型液体膜によるランタノイドイオンの輸送2015

    • 著者名/発表者名
      佐伯匡哉,森田耕太郎,永谷広久,井村久則
    • 学会等名
      平成27年度北陸地区講演会と研究発表会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス (石川県金沢市)
    • 年月日
      2015-11-27
  • [学会発表] カーボンナノドットの発光特性と液液界面における吸着反応挙動の分光電気化学解析2015

    • 著者名/発表者名
      北川雄也,永谷広久,家中杏奈,森田耕太郎,井村久則
    • 学会等名
      平成27年度北陸地区講演会と研究発表会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス (石川県金沢市)
    • 年月日
      2015-11-27
  • [学会発表] 液液界面におけるアニオン性ポルフィリンの電位依存吸着配向特性2015

    • 著者名/発表者名
      山本 翔,永谷広久,森田耕太郎,井村久則
    • 学会等名
      第61回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • 発表場所
      イーグレひめじ (兵庫県姫路市)
    • 年月日
      2015-11-24
  • [学会発表] 8-キノリノールを用いる13族金属イオンのイオン液体キレート抽出2015

    • 著者名/発表者名
      江口綾乃,森田耕太郎,平山直紀
    • 学会等名
      第34回溶媒抽出討論会
    • 発表場所
      金沢工業大学扇が丘キャンパス (石川県野々市市)
    • 年月日
      2015-10-23
  • [学会発表] ペンダントアーム型中性配位子を用いた金属イオンのイオン液体抽出におけるイオン液体カチオンの効果2015

    • 著者名/発表者名
      浅野夏海,森田耕太郎,平山直紀
    • 学会等名
      第31回イオン交換研究発表会
    • 発表場所
      金沢工業大学扇が丘キャンパス (石川県野々市市)
    • 年月日
      2015-10-23
  • [学会発表] 8-キノリノールを用いる鉄(III)のイオン液体キレート抽出に及ぼす抽出剤分配平衡の寄与2015

    • 著者名/発表者名
      江口綾乃,森田耕太郎,平山直紀
    • 学会等名
      日本分析化学会第64年会
    • 発表場所
      九州大学伊都キャンパス (福岡県福岡市)
    • 年月日
      2015-09-11
  • [学会発表] 液液界面における金ナノ粒子の光電流増幅効果の粒径依存性2015

    • 著者名/発表者名
      澤田 諭,永谷広久,森田耕太郎,下条晃司郎,井村久則
    • 学会等名
      日本分析化学会第64年会
    • 発表場所
      九州大学伊都キャンパス (福岡県福岡市)
    • 年月日
      2015-09-10
  • [学会発表] Potential-dependent adsorption of water-soluble porphyrins at liquid|liquid interfaces studied by polarization-modulation total internal reflection fluorescence spectroscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Sho Yamamoto, Hirohisa Nagatani, Kotaro Morita and Hisanori Imura
    • 学会等名
      2nd Asian Symposium on Analytical Sciences
    • 発表場所
      九州大学伊都キャンパス (福岡県福岡市)
    • 年月日
      2015-09-09
  • [学会発表] Photoluminescent properties of carbon nanodots prepared by pyrolytic synthesis2015

    • 著者名/発表者名
      Kotaro Morita, Naoki Yamada, Misuzu Nakada, Hirohisa Nagatani, Naoki Hirayama and Hisanori Imura
    • 学会等名
      Royal Society of Chemistry Tokyo International Conference 2015
    • 発表場所
      幕張メッセ (千葉県千葉市)
    • 年月日
      2015-09-03
    • 国際学会
  • [学会発表] 酸化還元試薬共存下でのカーボンナノドットの発光挙動2015

    • 著者名/発表者名
      森田耕太郎,山田尚希,永谷広久,井村久則
    • 学会等名
      第75回分析化学討論会
    • 発表場所
      山梨大学甲府キャンパス (山梨県甲府市)
    • 年月日
      2015-05-24
  • [学会発表] PAMAMデンドリマー共存下の液液界面におけるフラビン化合物の吸着反応機構2015

    • 著者名/発表者名
      坂江広基,永谷広久,森田耕太郎,井村久則
    • 学会等名
      第75回分析化学討論会
    • 発表場所
      山梨大学甲府キャンパス (山梨県甲府市)
    • 年月日
      2015-05-23

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公開日: 2017-01-06  

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