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2019 年度 実績報告書

励起状態でのダイナミクス制御に基づく高効率アップコンバージョン材料の開発

研究課題

研究課題/領域番号 18J21140
研究機関九州大学

研究代表者

佐々木 陽一  九州大学, 工学府, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2021-03-31
キーワード三重項-三重項消滅 / フォトン・アップコンバージョン / 一重項-三重項遷移 / 近赤外光 / 金属錯体 / オプトジェネティクス / 金属有機構造体
研究実績の概要

三重項-三重項消滅に基づくフォトン・アップコンバージョン (TTA-UC) は、低いエネルギーの光子を高いエネルギーの光子に変換する方法論である。本研究では一重項-三重項遷移 (S-T遷移) を示す重金属錯体に焦点を当て、近赤外光から可視光への TTA-UC の高効率化と応用を目指している。これまで、 S-T 遷移を示す重金属錯体は励起状態の寿命が短く、三重項エネルギー移動 (TET) を効率的に起こせないという問題があった。
昨年度は、 S-T 遷移を示す Os 錯体に対し長寿命な励起状態を示すペリレンを連結させ、分子内 TET に基づく三重項励起状態の長寿命化を行った。その結果、有機溶媒中において TET 効率を最大化することに成功した。また、 UC 色素を適切なポリマーと複合化することで、オプトジェネティクスへの応用が可能なヒドロゲル UC 材料の開発にも成功した。
本年度は、連結部分を変えた錯体を合成し評価を行った。その結果、連結部分にフェニル基を用いることで、ペリレン部位に局在化した三重項励起状態の失活を抑制できることが明らかとなった。これは、 Os の重原子効果がペリレン部位にまで及んでいることと関係していると考えられる。従って本研究により、 Os の重原子効果を考慮した連結部分の設計が必要であることが示された。
また、近赤外-可視 TTA-UC を固体状態で実現する上で問題となっていた三重項増感剤と発光色素の相分離を解決するために、増感剤と発光体からなる金属有機構造体 (MOF) の開発を行った。発光体と S-T 遷移を示す Os 錯体の分子サイズ、エネルギー準位、配位構造を最適化し、 Os 錯体が均一に導入された MOF を作製した。最終的に、ほぼ定量的な TET を示す MOF の作製に成功し、近赤外光-可視 TTA-UC に成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度は、色素を連結させた Os 錯体の発光特性に対して連結部分の構造がもたらす影響を評価した。その結果、連結した色素に対する Os の重原子効果を考慮した分子設計が必要であることが明らかとなった。また、 TTA-UC において固体状態での三重項増感は通常困難となるが、空間の設計が比較的容易な MOF を用いてこの問題を解決し、固体状態でのほとんど定量的な TET と近赤外-可視 TTA-UC に成功した。これらの成果は、本研究の目的である近赤外-可視 TTA-UC の高効率化とその応用に向けた大きな進展といえる。したがって、当初の予定以上に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

これまでの研究において、近赤外-青 TTA-UC を高効率化する三重項増感剤の開発に成功した。しかし、依然として発光体から三重項増感剤への逆エネルギー移動の抑制は達成されていない。従って今後も本年度に引き続き、二つの色素間の連結構造を変化させた分子の合成とエネルギー移動効率・発光寿命の評価を行っていく。加えて、連結させる色素を変えていき、エネルギー準位の調節も試みる。以上より、発光体から増感剤への逆エネルギー移動が起きにくい三重項増感剤の開発を行う。また、重金属を変えた場合に、増感剤の励起状態の寿命がどのように変化するかについても調べ、連結された色素に対する重原子効果の詳細を明らかにする。
さらに、 TTA-UC をバイオロジーに応用するために、色素の構造と細胞毒性の関係について評価を行う。色素に対する化学修飾や、色素と生体適合性材料の複合化によって細胞毒性がどのように変化するかを調べていく。最終的に、生体適合性のある UC 材料の開発を行い、近赤外-可視 TTA-UC の生体内への応用を実現する。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (4件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] 華中科技大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      華中科技大学
  • [国際共同研究] 成均館大学校/釜山大学校(韓国)

    • 国名
      韓国
    • 外国機関名
      成均館大学校/釜山大学校
  • [雑誌論文] Near-Infrared-to-Visible Photon Upconversion by Introducing an S-T Absorption Sensitizer into a Metal-Organic Framework2020

    • 著者名/発表者名
      Biplab Joarder, Arijit Mallick, Yoichi Sasaki, Mika Kinoshita, Rena Haruki, Yusuke Kawashima, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka
    • 雑誌名

      ChemNanoMat

      巻: 6 ページ: 1-5

    • DOI

      10.1002/cnma.202000019

  • [雑誌論文] Upconverting Oil-Laden Hollow Mesoporous Silica Microcapsules for Anti-Stokes-Based Biophotonic Applications2019

    • 著者名/発表者名
      Hak-Lae Lee, Jung Hwan Park, Hyun-Seok Choe, Myung-Soo Lee, Jeong-Min Park, Naoyuki Harada, Yoichi Sasaki, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka, Jintao Zhu, Suk Ho Bhang, Jae-Hyuk Kim
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 11 ページ: 26571~26580

    • DOI

      10.1021/acsami.9b06620

  • [雑誌論文] Near-Infrared Optogenetic Genome Engineering Based on Photon-Upconversion Hydrogels2019

    • 著者名/発表者名
      Yoichi Sasaki, Mio Oshikawa, Pankaj Bharmoria, Hironori Kouno, Akiko Hayashi-Takagi, Moritoshi Sato, Itsuki Ajioka, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 58 ページ: 17827~17833

    • DOI

      10.1002/anie.201911025

  • [雑誌論文] Absolute Method to Certify Quantum Yields of Photon Upconversion via Triplet-Triplet Annihilation2019

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiro Yanai, Kengo Suzuki, Taku Ogawa, Yoichi Sasaki, Naoyuki Harada, Nobuo Kimizuka
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 123 ページ: 10197~10203

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.9b08636

  • [学会発表] Development of near-infrared-to-blue photon upconversion materials and its application to optogenetics2020

    • 著者名/発表者名
      ○Yoichi Sasaki, Mio Oshikawa, Pankaj Bharmoria, Hironori Kouno, Akiko Hayashi-Takagi, Moritoshi Sato, Itsuki Ajioka, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka
    • 学会等名
      第100回日本化学会春季年会
  • [学会発表] Near infrared-to-blue photon upconversion based on singlet-to-triplet direct transition2019

    • 著者名/発表者名
      〇Yoichi Sasaki, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka
    • 学会等名
      13th International Conference on Optical Probes of Organic and Hybrid Optoelectronic Materials and Applications 2019
    • 国際学会
  • [備考] 近赤外光で脳神経細胞の遺伝子を操作するアップコンバージョン分子技術の開発に成功

    • URL

      https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/380

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公開日: 2021-01-27  

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