JP2012194012A - 蛍光半導体粒子 - Google Patents
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Abstract
【課題】光を効率良く吸収して発光する蛍光半導体粒子を提供する。
【解決手段】蛍光半導体粒子は、光により励起され発光する無毒性の半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットの発光波長に対応する吸収波長領域に吸収ピークを有する色素が吸着されて構成される。半導体量子ドットとしては、リン化インジウムや、リン化インジウムをコアとして硫化亜鉛のシェルを持つ粒子が好ましい。また、色素が半導体量子ドットの表面でＪ凝集体を形成していることが好ましい。
【選択図】図１
【解決手段】蛍光半導体粒子は、光により励起され発光する無毒性の半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットの発光波長に対応する吸収波長領域に吸収ピークを有する色素が吸着されて構成される。半導体量子ドットとしては、リン化インジウムや、リン化インジウムをコアとして硫化亜鉛のシェルを持つ粒子が好ましい。また、色素が半導体量子ドットの表面でＪ凝集体を形成していることが好ましい。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体量子ドットに色素が吸着された蛍光半導体粒子に関する。
近年、量子ドットは、細胞等の生体組織に対するバイオ用蛍光標識剤として注目されている。細胞イメージングにおいては、自家蛍光が少なく、細胞・生体へのダメージが少ない可視光を励起光として用いることが好ましい。しかし、量子ドットは、可視光領域における光の吸収が低く、可視光を励起光とした場合に発光強度が低いことが課題となっている。
この課題の解決法として、ＩＩ−ＶＩ族のＣｄＳｅをコアとしてＺｎＳをシェルとする半導体ナノ粒子については、粒子表面に色素を吸着させることにより、可視光領域での励起光の吸収及び発光を可能とした報告がある（非特許文献１参照）。
Jonathan E. Halpert, Jonathan R. Tischler, Gautham Nair, Brian J. Walker, Wenhao Liu, Vladimir Bulovic and Moungi G. Bawendi、"Electrostatic Formation of Quantum Dot/J-aggregate FRET Pairs in Solution"、The Journal of Physical Chemistry C、（米国）、2009年、第113巻、第23号、p.9986-9992
しかしながら、ＣｄＳｅの量子ドットは毒性が強く、蛍光標識剤として環境面や細胞毒性の点で問題があった。
本発明は、上記の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、光を効率良く吸収して発光する蛍光半導体粒子を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光により励起され発光する無毒性の半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットの発光波長に対応する吸収波長領域に吸収ピークを有する色素が吸着されていることを特徴とする蛍光半導体粒子である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蛍光半導体粒子において、前記色素が前記半導体量子ドットの表面でＪ凝集体を形成していることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の蛍光半導体粒子において、前記半導体量子ドットがリン化インジウムであることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の蛍光半導体粒子において、前記リン化インジウムが硫化亜鉛のシェルを持つことを特徴とする。
本発明によれば、半導体量子ドットに色素が吸着されているので、光を効率良く吸収して発光することができる。
以下、本発明に係る蛍光半導体粒子について説明する。
本発明の蛍光半導体粒子は、光により励起され発光する無毒性の半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットの発光波長に対応する吸収波長領域に吸収ピークを有する色素が吸着されている。
本発明の蛍光半導体粒子は、光により励起され発光する無毒性の半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットの発光波長に対応する吸収波長領域に吸収ピークを有する色素が吸着されている。
無毒性とは、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｂ、Ａｓの有毒元素を含まないことを指す。具体的には、無毒性の半導体量子ドットとして、ＩｎＰ（リン化インジウム）、ＣｕＩｎＳ、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられる。
また、半導体量子ドットは、コア／シェル構造を有することが好ましい。例えば、ＩｎＰ、ＣｕＩｎＳ、Ｓｉ、Ｇｅ等をコアとして、ＺｎＳ（硫化亜鉛）のシェルを持つものが挙げられる。
色素としては、半導体量子ドット粒子の表面に吸着され、かつ、励起エネルギーを半導体量子ドット粒子に伝達できることが必要である。色素（特に、ハロゲン化銀写真用乳剤の分光増感色素）が粒子表面でＪ凝集体を形成すると、モノマー状態の色素と比較して、耐光性が高く、長波長側に強い可視光吸収を持つことが知られている。このＪ凝集体を半導体量子ドット粒子表面に形成することで、効率良く可視光を吸収することが可能となる。
半導体量子ドット粒子表面へのＪ凝集体の形成については、例えば、半導体量子ドットの水系分散溶液に色素メタノール溶液を添加し、４℃〜９５℃で３０分〜５時間撹拌する等の方法をとることができる。
色素は、半導体量子ドットに添加された後１０分以内に速やかにモノマー状態で半導体量子ドット粒子表面に吸着される。その後、１〜５時間かけて粒子表面でＪ凝集体が形成され、可視光における吸収率が増加する。温度は、好ましくは２０℃〜７０℃、より好ましくは３０℃〜６０℃である。時間は、好ましくは１時間〜７時間、より好ましくは２時間〜６時間である。
色素は、半導体量子ドットに添加された後１０分以内に速やかにモノマー状態で半導体量子ドット粒子表面に吸着される。その後、１〜５時間かけて粒子表面でＪ凝集体が形成され、可視光における吸収率が増加する。温度は、好ましくは２０℃〜７０℃、より好ましくは３０℃〜６０℃である。時間は、好ましくは１時間〜７時間、より好ましくは２時間〜６時間である。
本発明に用いられる分光増感色素については、リサーチ・ディスクロージャ（Research Disclosure）、ｖｏｌ．１７６、ＲＤ−１７６４３、ｐ．２２−３１（１９７８）に記載されている。
例えば、シアニン色素、メロシアニン色素、ヘミシアニン色素、ローダンアニン色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素等のメチン色素を挙げることができる。これらの色素でも、アニオン系色素、例えば置換基としてスルホ基又はスルホアルキル基を１個、好ましくは２個以上有した色素等が有効である。
例えば、シアニン色素、メロシアニン色素、ヘミシアニン色素、ローダンアニン色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素等のメチン色素を挙げることができる。これらの色素でも、アニオン系色素、例えば置換基としてスルホ基又はスルホアルキル基を１個、好ましくは２個以上有した色素等が有効である。
また、分光増感色素としては、さらに独国特許９２９０８０号、米国特許２４９３７４８号、同２５０３７７６号、同２５１９００１号、同２９１２３２９号、同３６５６９５９号、同３６７２８９７号、同３６９４２１７号、同４０２５３４９号、同４０４６５７２号、同２６８８５４５号、同２９７７２２９号、同３３９７０６０号、同３５２２０５２号、同３５２７６４１号、同３６１７２９３号、同３６２８９６４号、同３６６６４８０号、同３６７２８９８号、同３６７９４２８号、同３７０３３７７号、同３８１４６０９号、同３８３７８６２号、同４０２６７０７号、英国特許１２４２５８８号、同１３４４２８１号、同１５０７８０３号、特公昭４４−１４０３０号、同５２−２４８４４号、同４３−４９３６号、同５３−１２３７５号、特開昭５２−１１０６１８号、同５２−１０９９２５号、同５０−８０８２７号に記載のものが挙げられる。
次に、本発明に係る蛍光半導体粒子の実施例について説明する。
［半導体量子ドットの合成］
（１）粒子Ａ（ＩｎＰ 量子ドットの合成）
ミリスチン酸インジウム０．１ｍｍｏｌ、ステアリン酸０．１ｍｍｏｌ、トリメチルシリルフォスフィン０．１ｍｍｏｌを、オクタデセン８ｍｌとともに三口フラスコに入れ、窒素雰囲気下で還流を行いながら３００℃で４０分加熱し、発光ピーク波長６２０ｎｍのＩｎＰ（粒子Ａ）を得た。
（１）粒子Ａ（ＩｎＰ 量子ドットの合成）
ミリスチン酸インジウム０．１ｍｍｏｌ、ステアリン酸０．１ｍｍｏｌ、トリメチルシリルフォスフィン０．１ｍｍｏｌを、オクタデセン８ｍｌとともに三口フラスコに入れ、窒素雰囲気下で還流を行いながら３００℃で４０分加熱し、発光ピーク波長６２０ｎｍのＩｎＰ（粒子Ａ）を得た。
（２）粒子Ｂ（ＩｎＰ／ＺｎＳ コア／シェル量子ドットの合成）
ミリスチン酸インジウム０．１ｍｍｏｌ、ステアリン酸０．１ｍｍｏｌ、トリメチルシリルフォスフィン０．１ｍｍｏｌ、ドデカンチオール０．１ｍｍｏｌ、ウンデシレン酸亜鉛０．１ｍｍｏｌを、オクタデセン８ｍｌとともに三口フラスコに入れ、窒素雰囲気下で還流を行いながら３００℃で１時間加熱し、発光ピーク波長６２０ｎｍのＩｎＰ／ＺｎＳ（粒子Ｂ）を得た。
なお、本明細書中シェルを有する量子ドットの表記法として、コアがＩｎＰ、シェルがＺｎＳの場合、ＩｎＰ／ＺｎＳと表記する。
ミリスチン酸インジウム０．１ｍｍｏｌ、ステアリン酸０．１ｍｍｏｌ、トリメチルシリルフォスフィン０．１ｍｍｏｌ、ドデカンチオール０．１ｍｍｏｌ、ウンデシレン酸亜鉛０．１ｍｍｏｌを、オクタデセン８ｍｌとともに三口フラスコに入れ、窒素雰囲気下で還流を行いながら３００℃で１時間加熱し、発光ピーク波長６２０ｎｍのＩｎＰ／ＺｎＳ（粒子Ｂ）を得た。
なお、本明細書中シェルを有する量子ドットの表記法として、コアがＩｎＰ、シェルがＺｎＳの場合、ＩｎＰ／ＺｎＳと表記する。
（３）粒子Ｃ（ＣｄＳｅ／ＺｎＳ コア／シェル量子ドットの合成）
Ｓｅ粉末０．７８９６ｇを、トリオクチルフォスフィン（ＴＯＰ）７．４ｇへ添加し、混合物を１５０℃まで加熱して（窒素気流下）、ＴＯＰ−Ｓｅストック溶液を作製した。
別途、酸化カドミウム（ＣｄＯ）０．４５０ｇ及びステアリン酸８ｇをアルゴン雰囲気下、三口フラスコ中で１５０℃まで加熱した。ＣｄＯが溶解した後、このＣｄＯ溶液を室温まで冷却した。このＣｄＯ溶液に、トリオクチルフォスフィンオキサイド（ＴＯＰＯ）８ｇ及び１−ヘプタデシル−オクタデシルアミン（ＨＤＡ）１２ｇを添加し、混合物を再び１５０℃まで加熱し、ここで、ＴＯＰ−Ｓｅストック溶液を素早く添加した。その後、チャンバーの温度を２２０℃まで加熱し、さらに一定の速度で１２０分かけて２５０℃まで上昇させた（０．２５℃／分）。その後、温度を１００℃まで下げ、酢酸亜鉛二水和物を添加撹拌し溶解させた後、ヘキサメチルジシリルチアンのトリオクチルフォスフィン溶液を滴下し、数時間撹拌を続けて反応を終了させ、発光ピーク波長６２０ｎｍのＣｄＳｅ／ＺｎＳ（粒子Ｃ）を得た。
Ｓｅ粉末０．７８９６ｇを、トリオクチルフォスフィン（ＴＯＰ）７．４ｇへ添加し、混合物を１５０℃まで加熱して（窒素気流下）、ＴＯＰ−Ｓｅストック溶液を作製した。
別途、酸化カドミウム（ＣｄＯ）０．４５０ｇ及びステアリン酸８ｇをアルゴン雰囲気下、三口フラスコ中で１５０℃まで加熱した。ＣｄＯが溶解した後、このＣｄＯ溶液を室温まで冷却した。このＣｄＯ溶液に、トリオクチルフォスフィンオキサイド（ＴＯＰＯ）８ｇ及び１−ヘプタデシル−オクタデシルアミン（ＨＤＡ）１２ｇを添加し、混合物を再び１５０℃まで加熱し、ここで、ＴＯＰ−Ｓｅストック溶液を素早く添加した。その後、チャンバーの温度を２２０℃まで加熱し、さらに一定の速度で１２０分かけて２５０℃まで上昇させた（０．２５℃／分）。その後、温度を１００℃まで下げ、酢酸亜鉛二水和物を添加撹拌し溶解させた後、ヘキサメチルジシリルチアンのトリオクチルフォスフィン溶液を滴下し、数時間撹拌を続けて反応を終了させ、発光ピーク波長６２０ｎｍのＣｄＳｅ／ＺｎＳ（粒子Ｃ）を得た。
図１に、粒子Ｂ（ＩｎＰ／ＺｎＳ）の吸収スペクトルを示す。粒子Ｂは、主に紫外領域の光を吸収する。粒子Ａ，Ｃについても同様である。
［ＰＥＧ修飾による水系分散］
粒子Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれについて、粒子の表面にポリエチレングリコール（ＰＥＧ：分子量４００）修飾を行い、透析を行うことで、水系分散粒子を形成した。
粒子Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれについて、粒子の表面にポリエチレングリコール（ＰＥＧ：分子量４００）修飾を行い、透析を行うことで、水系分散粒子を形成した。
［増感色素吸着］
上記水系分散粒子（粒子Ａ，Ｂ，Ｃ）の各水分散液５ｍｌを４０℃に調整し、撹拌した状態で０．５ｍｌのＭｅＯＨ溶液中に下記３種の増感色素（ＳＤ−６、ＳＤ−７、ＳＤ−８）を溶解した色素液を添加し、４０℃で１時間撹拌した。
上記水系分散粒子（粒子Ａ，Ｂ，Ｃ）の各水分散液５ｍｌを４０℃に調整し、撹拌した状態で０．５ｍｌのＭｅＯＨ溶液中に下記３種の増感色素（ＳＤ−６、ＳＤ−７、ＳＤ−８）を溶解した色素液を添加し、４０℃で１時間撹拌した。
増感色素（ＳＤ−６）は、式（１）で表される。
増感色素（ＳＤ−７）は、式（２）で表される。
増感色素（ＳＤ−８）は、式（３）で表される。
粒子１ｍｏｌ（すなわち、ＩｎＰ又はＣｄＳｅ１ｍｏｌ）に対して、増感色素（ＳＤ−６）が１．９×１０-1ｍｏｌ、増感色素（ＳＤ−７）が１．２×１０-1ｍｏｌ、増感色素（ＳＤ−８）が１．５×１０-2ｍｏｌの濃度になるように、各増感色素を添加した。
以上の工程により、各半導体量子ドット（粒子Ａ，Ｂ，Ｃ）に色素を吸着させ、蛍光半導体粒子を作製した。
以上の工程により、各半導体量子ドット（粒子Ａ，Ｂ，Ｃ）に色素を吸着させ、蛍光半導体粒子を作製した。
［測定結果］
表１に、粒子Ａ（ＩｎＰ）に色素を添加する前、色素を添加して５分経過後、色素を添加して１２０分経過後の５５０ｎｍにおける吸光度、吸収極大ピーク波長、５５０ｎｍの光で励起された場合の発光強度（６２０ｎｍのピーク波長における発光強度）を示す。なお、吸収極大ピーク波長は、吸収スペクトルの測定により求められた吸収が最も高い波長（スペクトルのピーク値）である。また、発光強度は、色素添加前の発光強度を１とした場合の相対的な値である。
表１に、粒子Ａ（ＩｎＰ）に色素を添加する前、色素を添加して５分経過後、色素を添加して１２０分経過後の５５０ｎｍにおける吸光度、吸収極大ピーク波長、５５０ｎｍの光で励起された場合の発光強度（６２０ｎｍのピーク波長における発光強度）を示す。なお、吸収極大ピーク波長は、吸収スペクトルの測定により求められた吸収が最も高い波長（スペクトルのピーク値）である。また、発光強度は、色素添加前の発光強度を１とした場合の相対的な値である。
色素の添加前後で５５０ｎｍにおける吸光度を比較すると、色素を添加することにより、吸光度が高くなっていることがわかる。すなわち、粒子Ａ（ＩｎＰ）単体では光の吸収量が低い波長域（５５０ｎｍ）において、粒子Ａに吸着された色素により光の吸収が増加することがわかった。
５５０ｎｍ励起時の発光強度は、色素添加後１２０分で７７になっており、無毒でかつ、可視光における励起発光が強い蛍光半導体粒子を得ることができた。
色素添加後５分の吸収極大ピーク波長５２８ｎｍは、色素モノマーのピーク値である。色素添加後１２０分では、吸収極大ピーク波長が５２８ｎｍから５５２ｎｍへと長波長側にシフトし、発光強度が増大した。これは、粒子表面でモノマーがＪ凝集体を形成したことを示している。
５５０ｎｍ励起時の発光強度は、色素添加後１２０分で７７になっており、無毒でかつ、可視光における励起発光が強い蛍光半導体粒子を得ることができた。
色素添加後５分の吸収極大ピーク波長５２８ｎｍは、色素モノマーのピーク値である。色素添加後１２０分では、吸収極大ピーク波長が５２８ｎｍから５５２ｎｍへと長波長側にシフトし、発光強度が増大した。これは、粒子表面でモノマーがＪ凝集体を形成したことを示している。
粒子Ａに、粒子Ａの発光波長（６２０ｎｍ）に対応する吸収波長領域（５５０ｎｍ付近）に吸収ピークを有する増感色素（ＳＤ−６、ＳＤ−７、ＳＤ−８）が吸着されることにより、光を効率良く吸収することが可能となる。
表２に、粒子Ｂ（ＩｎＰ／ＺｎＳ）に色素を添加する前、色素を添加して５分経過後、色素を添加して１２０分経過後の５５０ｎｍにおける吸光度、吸収極大ピーク波長、５５０ｎｍの光で励起された場合の発光強度（６２０ｎｍのピーク波長における発光強度）を示す。発光強度は、色素添加前の発光強度を１とした場合の相対的な値である。
色素の添加前後で５５０ｎｍにおける吸光度を比較すると、色素を添加することにより、吸光度が高くなっていることがわかる。すなわち、粒子Ｂ（ＩｎＰ／ＺｎＳ）単体では光の吸収量が低い波長域（５５０ｎｍ）において、粒子Ｂに吸着された色素により光の吸収が増加することがわかった。
５５０ｎｍ励起時の発光強度は、色素添加後１２０分で６５になっており、無毒でかつ、可視光における励起発光が強い蛍光半導体粒子を得ることができた。
色素添加後５分の吸収極大ピーク波長５３０ｎｍは、色素モノマーのピーク値である。色素添加後１２０分では、吸収極大ピーク波長が５３０ｎｍから５５０ｎｍへと長波長側にシフトし、発光強度が増大した。これは、粒子表面でモノマーがＪ凝集体を形成したことを示している。
５５０ｎｍ励起時の発光強度は、色素添加後１２０分で６５になっており、無毒でかつ、可視光における励起発光が強い蛍光半導体粒子を得ることができた。
色素添加後５分の吸収極大ピーク波長５３０ｎｍは、色素モノマーのピーク値である。色素添加後１２０分では、吸収極大ピーク波長が５３０ｎｍから５５０ｎｍへと長波長側にシフトし、発光強度が増大した。これは、粒子表面でモノマーがＪ凝集体を形成したことを示している。
粒子Ｂに、粒子Ｂの発光波長（６２０ｎｍ）に対応する吸収波長領域（５５０ｎｍ付近）に吸収ピークを有する増感色素（ＳＤ−６、ＳＤ−７、ＳＤ−８）が吸着されることにより、光を効率良く吸収することが可能となる。
上記方法を用いて、粒子Ａ，Ｂ，Ｃの表面にＪ凝集体を形成させ、５５０ｎｍの光で励起された場合の発光強度の増幅率を測定した。発光強度の増幅率は、以下の式により求められる。
発光強度の増幅率=（Ｊ凝集体形成後の発光強度）／（Ｊ凝集体形成前の発光強度）
なお、Ｊ凝集体形成前の各粒子の発光波長は５５０ｎｍ励起で６２０ｎｍである。
表３に、各粒子についての発光強度の増幅率を示す。
発光強度の増幅率=（Ｊ凝集体形成後の発光強度）／（Ｊ凝集体形成前の発光強度）
なお、Ｊ凝集体形成前の各粒子の発光波長は５５０ｎｍ励起で６２０ｎｍである。
表３に、各粒子についての発光強度の増幅率を示す。
粒子表面にＪ凝集体が形成された粒子Ａ，Ｂは、可視光域の励起光を効率良く吸収し、強く発光することが示された。
粒子Ａ（ＩｎＰ）は、粒子Ｃ（ＣｄＳｅ／ＺｎＳ）と比較して、発光強度の増幅率が３倍以上になることが明らかとなった。ＩｎＰ粒子は、ＣｄＳｅ粒子と比較して、粒子単体の吸光度が低く、低輝度であるが、Ｊ凝集体色素により吸光度が改善されると考えられる。
また、粒子Ｂ（ＩｎＰ／ＺｎＳ）のように、ＩｎＰをコアとしてＺｎＳのシェルを形成することで、さらに発光強度の増幅率が上昇することが分かった。シェルの形成により、Ｊ凝集体の形成が効率良く行われることによると推察される。
また、粒子Ｂ（ＩｎＰ／ＺｎＳ）のように、ＩｎＰをコアとしてＺｎＳのシェルを形成することで、さらに発光強度の増幅率が上昇することが分かった。シェルの形成により、Ｊ凝集体の形成が効率良く行われることによると推察される。
以上説明したように、半導体量子ドットに色素が吸着されているので、光を効率良く吸収して発光することができる。また、無毒性であるため、環境や生体に対する安全性も確保される。
また、色素が半導体量子ドットの表面でＪ凝集体を形成することにより、さらに光を効率良く吸収して発光することができる。
また、色素が半導体量子ドットの表面でＪ凝集体を形成することにより、さらに光を効率良く吸収して発光することができる。
Claims (4)
- 光により励起され発光する無毒性の半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットの発光波長に対応する吸収波長領域に吸収ピークを有する色素が吸着されていることを特徴とする蛍光半導体粒子。
- 前記色素が前記半導体量子ドットの表面でＪ凝集体を形成していることを特徴とする請求項１に記載の蛍光半導体粒子。
- 前記半導体量子ドットがリン化インジウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の蛍光半導体粒子。
- 前記リン化インジウムが硫化亜鉛のシェルを持つことを特徴とする請求項３に記載の蛍光半導体粒子。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN103033494A (zh) * | 2012-12-25 | 2013-04-10 | 吉林大学 | 一种基于纳米磷化铟荧光探针的镉离子检测方法 |
| JP2016519175A (ja) * | 2013-03-14 | 2016-06-30 | ナノシス・インク． | ナノ結晶用のアルキル−酸リガンド |
| KR20170125364A (ko) * | 2015-03-04 | 2017-11-14 | 나노코 테크놀로지스 리미티드 | 금속 티올로 안정화된 양자점 |
| JP2018507264A (ja) * | 2014-12-19 | 2018-03-15 | 京東方科技集團股▲ふん▼有限公司Ｂｏｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． | 改質量子ドット及びその製造方法、着色剤、感光性樹脂組成物、カラーフィルタと表示装置 |
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