プラズモニックPdナノ粒子の単一粒子光散乱分光技術の開発と触媒反応機構の解明

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K04993
• 研究機関: 日本大学
• 研究代表者: 須川 晃資 日本大学, 理工学部, 准教授 (40580204)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 局在型表面プラズモン共鳴 / パラジウムナノ粒子 / 光散乱現象 / 光熱変換現象 / コアシェル型ナノ粒子

研究実績の概要

本年度は，前年度に合成に成功した種々のサイズのAu（コア）／Pd(シェル）型ナノ粒子の細胞への取り込みと毒性について調査した．
これらナノ粒子をアミノ基を末端に有するポリエチレングリコールで被覆したところ，モデルとして利用したHeLa細胞に容易に取り込まれることを蛍光顕微鏡によって確認できた。ナノ粒子を取り込ませたHeLa細胞にプラズモンの発現波長に該当する近赤外レーザーを照射したところ，HeLa細胞は高効率に死滅に至ることを細胞染色によって検証した．Pdによる触媒活性効果，もしくは光熱変換現象によって生じた強い局所熱が細胞を死に導いた可能性が考えられた．そこで，これらナノ粒子の光熱変換特性を調査したところ，約40%程度の光熱変換効率を示した．それゆえ，光熱変換現象によって細胞が死滅した可能性が高いと現在は考えている．以上の結果は，当初予定していた目的とは若干ずれているものの，球形ナノ粒子でありながら近赤外レーザーでHeLa細胞を死滅させることができる点より，熱力学的に安定形状を有する光熱治療材料として機能しうることを実証できた．
一方，これらナノ粒子の単一粒子分光測定技術に関して，Au（コア）／Pd（シェル）型ナノ粒子の分光特性の測定が可能であることも検証された．
さらに，参照のために合成していた異方性Agナノプリズムの局在型表面プラズモン共鳴を利用することによって，アップコンバージョン発光の増強と消光の因子を解明することに成功し，これについては論文掲載にまで至った．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成30年度は以下のように，Pdのプラズモン共鳴によって以下のことが実現された．
１）Au（コア）／Pd（シェル）型ナノ粒子のPdの局在型表面プラズモン共鳴を利用して，モデルガン細胞であるHeLa細胞の光照射による死滅に成功した．触媒活性の光増強の可能性も示唆された一方，光熱変換現象によって細胞死が誘起された可能性まで突き止められた．
２）Au（コア）／Pd（シェル）型ナノ粒子の一粒子分光技術による分光特性の取得が可能になった．
また，参照のために合成された銀ナノプリズム粒子を利用することによって，現在注目を集めている三重項－三重項対消滅に基づくアップコンバージョン発光の増強機構を明らかにするという，当初の予定になかったインパクトのある成果も得ることに成功した．

今後の研究の推進方策

当年度では，細胞におけるナノ粒子の触媒性能の評価を試みたが，高い光熱変換性能によって細胞が死滅した可能性も示唆された．ゆえに触媒性能を検証するに至っていない．そこで，今後は，Au（コア）／Pd（シェル）型ナノ粒子の触媒性能に重点を置いて研究を進める．バイオ応用にこだわらず，Au（コア）／Pd（シェル）型ナノ粒子のPdの触媒活性のプラズモン増強をモデル触媒反応を利用して調査する．これと同時に一粒子分光技術による触媒反応に伴うプラズモン特性変化について調査する予定でいる．

次年度使用額が生じた理由

本年度は昨年度に合成法を確立したAu（コア）／Pd（シェル）型ナノ粒子の特性評価が主であった．また，やはり昨年度に構築した一粒子分光測定機器を利用したナノ粒子測定が主であった．以上の経緯より，予想していた額よりも消耗品費が少なくて済んだことが主な理由である．来年度は，モデルとなる触媒反応の模索，およびその評価のための電気化学と分光の同時測定技術の開発を行うために助成金を使用する予定である．

研究成果

• [雑誌論文] Cobalt-doped nickel oxide nanoparticles as efficient hole transport materials for low-​temperature processed perovskite solar cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaneko, Ryuji; Chowdhury, Towhid H.; Wu, Guohua; Kayesh, Md. Emrul; Kazaoui, Said; Sugawa, Kosuke; Lee, Jae-Joon; Noda, Takeshi; Islam, Ashraful; Otsuki, Joe
  • 雑誌名: Solar Energy 巻: 181 ページ: 243-250
  • DOI: 10.1016/j.solener.2019.01.097
  • 査読あり
• [雑誌論文] アップコンバージョン発光過程におけるプラズモンの影響： 増強と消光の効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 神 翔太，須川 晃資
  • 雑誌名: 化学工業 巻: 70 ページ: 22-28
• [雑誌論文] Precise Control of Localized Surface Plasmon Wavelengths Is Needed for Effective Enhancement of Triplet-Triplet Annihilation-Based Upconversion Emission (2018)
  • 著者名/発表者名: Jin, Shota; Sugawa, Kosuke; Takeshima, Naoto; Tahara, Hironobu; Igari, Shuto; Yoshinari, Satoshi; Kurihara, Yuri; Watanabe, Shiryu; Enoki, Masami; Sato, Kenta; Inoue, Wataru; Tokuda, Kyo; Akiyama, Tsuyoshi; Katoh, Ryuzi; Takase, Kouichi; Ozawa, Hiroaki; Okazaki, Toshiya; Watanabe, Takayuki; Otsuki, Joe
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 5 ページ: 5025-5037
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.8b01292
  • 査読あり
• [雑誌論文] Naphthalimide-based fluorescent dyes: impact of extension of π-conjugation and introduction of an electron-donating moiety on the photophysical properties (2018)
  • 著者名/発表者名: Otsuki, Joe; Yamano, Minori; Yamano, Tae; Sugawa, Kosuke
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 91 ページ: 1506-1514
  • DOI: 10.1246/bcsj.20180151
  • 査読あり
• [雑誌論文] Switching behavior of resistive change memory using oxide nanowires (2018)
  • 著者名/発表者名: Aono, Takashige; Sugawa, Kosuke; Shimizu, Tomohiro; Shingubara, Shoso; Takase, Kouichi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 06HD07/1-3
  • DOI: 10.7567/jjap.57.06hd07
  • 査読あり
• [雑誌論文] One-pot synthesis of monodisperse CoFe2O4@Ag core-shell nanoparticles and their characterization (2018)
  • 著者名/発表者名: Hara, Shuta; Aisu, Jumpei; Kato, Masahiro; Aono, Takashige; Sugawa, Kosuke; Takase, Kouichi; Otsuki, Joe; Shimizu, Shigeru; Ikake, Hiroki
  • 雑誌名: Nanoscale Research Letters 巻: 13 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1186/s11671-018-2544-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Near-infrared light-driven photocatalysts based on plasmonic Cu regular arrays (2019)
  • 著者名/発表者名: FUKASAWA，Toru; SUGAWA, Kosuke; OTSUKI, Joe
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] Energy transfer to Pt with concentrating antenna characteristics of Mie resonance on Cu2O(core)/Pt(shell) nanoparticles (2019)
  • 著者名/発表者名: KANAKUBO, Kotomi; SUGAWA, Kousuke; OTUKI, Joe; DNNNO, Miu; INOUE, Wataru
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] Triplet-triplet annihilation-based upconverted emission properties at the Ag nanostructure interfaces expressing strong optical electromagnetic fields (2019)
  • 著者名/発表者名: WATANABE, Shiryu; SUGAWA, Kosuke; OTSUKI, Joe; TAKESHIMA, Naoto; JIN, Syota; YOSHINARI, Satoshi
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] Control of quenching and enhancement of molecular fluorescence on plasmonic Cu nanostructures (2019)
  • 著者名/発表者名: MASUDA, Ayumu; TAKESHIMA, Naoto; YOSHINARI, Satoshi; SUGAWA, Kosuke; OTSUKI, Joe
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] Achievement of highly efficient hydrogen generation catalytic reaction by localized surface plasmon resonance of Au (core)/Pd (shell)-type anisotropic nanoparticles (2019)
  • 著者名/発表者名: YAMAKAWA, Yuhei; SUGAWA, Kosuke; OTSUKI, Joe
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] Synthesis of Mie resonance-responsive Cu2O nanoparticles and their application as a light-scattering imaging probe (2019)
  • 著者名/発表者名: DANNO, Miu; KANAKUBO, Kotomi; HONDA, Jotaro; KIMURA, Tsuyoshi; SUGAWA, Kosuke; OTSUKI, Joe
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] Development of plasmonic aluminum structures with high chemical stability and their application for photothermal therapy (2019)
  • 著者名/発表者名: HONDA, Jotaro; DANNO, Miu; KIMURA, Tsuyoshi; SUGAWA, Kosuke; OTSUKI, Joe
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] Chemical synthesis of FeS2 nanocrystals and their photoelectrochemical responses (2019)
  • 著者名/発表者名: YOKOYAMA, Jun; SUGAWA, Kosuke; KANAI, Daisuke; OTUKI, Joe
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] Development of plasmonic Pd nanoparticles as a photothermal conversion material and their application to nanotherapy (2019)
  • 著者名/発表者名: YAMAMURA, Ayano; SUGAWA, Kosuke; EGUCHI, Takumi; KIMURA, Tuyoshi; OTSUKI, Joe
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会2019
• [学会発表] プラズモニック銅ナノ材料を基盤とする高効率光電気化学反応 (2018)
  • 著者名/発表者名: 須川晃資
  • 学会等名: 2018年材料技術研究協会討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Spontaneous Formation of Cu2O/Plasmonic Cu Arrays and Their Photocatalytic Activity (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sugawa
  • 学会等名: 3rd International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials; ICEAN-2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] コイネージ金属ナノ材料を基盤とする高効率光電気化学応答 (2018)
  • 著者名/発表者名: 須川晃資
  • 学会等名: 第54回学際領域セミナー「光電気化学的応用のためのナノマテリアル設計」
  • 招待講演
• [学会発表] Mie共鳴／FeS2ナノ結晶間の光学カップリングに基づく近赤外高効率光熱変換現象 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金井大介，横山潤，木村剛，田原弘宣，須川晃資， 大月穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] Mie共鳴Cu2Oナノ粒子の合成，および表面修飾による光散乱イメージングプローブ応用への試み (2018)
  • 著者名/発表者名: 段野美侑，本多丈太郎，木村 剛，須川晃資，大月 穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] 三重項‐三重項対消滅に基づくフォトン・アップコンバージョン現象を利用したナノ温度計の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉成聡士，武島尚人，神翔太，須川晃資，大月穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] 光熱治療を指向した近赤外光応答プラズモニック銅ナノ材料の開発及び光学特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鈴木愛里砂，本多丈太郎，須川晃資，大月穣，木村 剛
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] ラージサイズPdナノ粒子のプラズモニック特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 須川晃資，山村綾乃，江口琢巳，木村剛，大月穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] 複数カイラリティ半導体性カーボンナノチューブから成る薄膜のプラズモン増強発光 (2018)
  • 著者名/発表者名: 猪狩脩斗，内田浩樹，須川晃資，岡崎俊也，大月穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] 局在型表面プラズモン共鳴増強アップコンバージョン発光の励起光強度依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 神翔太，武島尚人，吉成聡士，須川晃資，大月穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] イミダゾリウム系イオン液体に誘発される水―有機相界面へのナノ粒子自己組織体形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上渉，山口健吾，須川晃資，大月穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] FeS2ナノ結晶の液相合成と近赤外光応答特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 横山潤，金井大介，須川晃資，大月穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] Mie共鳴Cu2Oナノ粒子／Pt複合ナノ粒子の光学特性解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金久保琴未，段野美侑，井上渉，須川晃資，大月穣
  • 学会等名: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] プラズモンの電場効果によるTTAアップコンバージョンの敷居励起光強度変化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 神翔太，須川晃資，大月穣
  • 学会等名: 第37回固体・表面光化学討論会
• [学会発表] パラジウムポルフィリン誘導体-銀ナノプリズム粒子間の強結合系における光物理特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 武島尚人，神翔太，須川晃資，大月穣
  • 学会等名: 第37回固体・表面光化学討論会
• [学会発表] Optical Strong Coupling of Localized Surface Plasmon Resonance with Q-Bands of TetraphenyI Porphyrin over an Entire Visible Region (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Takeshima, S. Jin, K. Sugawa and J. Otsuki
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Far-Field Enhancement of Triplet-Triplet Annihilation Upconverted Luminescence in Solid Thicker Films (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshinari, N. Takeshima, S. Jin, K. Sugawa and J. Otsuki
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Optical Properties of Au(Core)/Cu2O(Shell)-Type Nanospheres As a Photothermal Therapy Agent (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Honda, K. Sugawa and J. Otsuki
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Surface-Enhanced Raman Scattering of Rhodamine 6G on Mie Resonance-Responsive Cu2O Particle Assemblies (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Danno, W. Inoue, S. Igari, K. Sugawa and J. Otsuki
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Surface-Enhanced Raman Scattering of Bioorthogonal Reporter on Gold and Silver Nanostructures (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Suzuki, S. Yoshinari, K. Sugawa and J. Otsuki
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Expansion of Driving Wavelength of Photothermal Conversion of Gold Nanosphere Using Upconverted Fluorescence Based on Triplet-Triplet Annihilation (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Jin, N. Takeshima, K. Sugawa and J. Otsuki
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Metal-Enhanced Fluorescence Based on Gold Nanoparticle Assemblies: Nanoparticle Size Dependence on Fluorescence Enhancement (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Igari, K. Sugawa and J. Otsuki
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Mie共鳴に基づくFeS2ナノ結晶の近赤外光熱変換現象 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金井大介，横山潤，木村剛，須川晃資，田原弘宣，大月穣
  • 学会等名: 日本化学会秋季事業 第８回CSJ化学フェスタ2018
• [学会発表] 局在表面プラズモン共鳴によるパラジウムポルフィリン誘導体の発光過程制御に基づく飛躍的な蛍光増強 (2018)
  • 著者名/発表者名: 武島尚人，須川晃資，大月穣
  • 学会等名: 2018年光化学討論会
• [備考] 学術論文・総説
  • URL: https://www.chem.cst.nihon-u.ac.jp/~sugawa/paper.html
• [備考] 学会発表
  • URL: https://www.chem.cst.nihon-u.ac.jp/~sugawa/presentation.html