JP6603416B2 - 水溶性量子ドットの作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、量子ドット技術分野に関し、特に、水溶性量子ドット、その作製方法及び量子ドットフィルムの作製方法に関する。
量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ；ＱＤｓと略記する）は、限られた数の原子からなる擬ゼロ次元のナノ結晶粒子であり、短波長光で励起されて蛍光を出射し、色域が広く、彩度が高く、ストークスシフトが大きく、光褪色耐性が強いなどの利点を有する。また、量子ドットから出射される蛍光は、量子ドットの粒径や構成要素、構造などを制御することで、青色光から近赤外光までの可視光スペクトル全体をコーティングすることができる。このため、量子ドットは、フォトセルや液晶表示、医用イメージングなどの分野において極めて有用である。
ＱＤｓの化学的作製法は、溶剤の相によって有機相合成法と水相合成法に分類される。なお、水相合成法は、温和な反応条件、簡単な操作、機能性官能基を導入しやすいなどの利点を有するが、作製されたＱＤｓの量子収率が低く、光安定性が劣り、長時間の反応が必要となるなどの欠点を有する。一方、有機相合成法は、反応条件が過酷で、作製されたＱＤｓが有機溶剤のみに溶解でき、その後の修飾や応用に不利であるが、１つの制御可能な作製過程であり、反応時間を制御することによって異なる粒径のＱＤｓを作製可能である。さらに、有機相合成法で作製されたＱＤｓは、量子収率が高く、光安定性や単分散性に優れるなどの、水相法で合成されたＱＤｓにない利点を有する。このため、現在使用されている高品質のＱＤｓは、いずれも主として有機相法で作製されている。
量子ドットを何らかの形態でナノ薄膜に固定又は分散させるのは、ＱＤｓを材料から実用装置に変えるための限られた手段の一つである。なお、レイヤーバイレイヤー（Ｌａｙｅｒ−Ｂｙ−Ｌａｙｅｒ；ＬＢＬ）の自己組織化膜形成技術は、操作が簡単であり、特殊な設備は不要であり、キャリアの形状やサイズに制約がなく、膜厚を数ｎｍ〜数百ｎｍに制御可能であるなどの利点を有するために注目されている。しかしながら、ＬＢＬ膜形成法は、環境汚染を減少させるとともにコストを削減するために常に水溶液中で行われる。このため、量子ドットの油溶性は、ＬＢＬ法で量子ドットフィルムを作製する場合の１つの阻害要因となっている。
従来技術では、油溶性量子ドットを水溶性量子ドットに変える方法としては、両親媒性ポリマーで油溶性ＱＤｓを被覆して油溶性ＱＤｓにリガンド交換又はリガンド修飾などを行う方法がある。両親媒性ポリマーで油溶性ＱＤｓを被覆することにより、既存のＱＤｓの光学的性質を極力保持することができるが、被覆されたＱＤｓには、体積が大きくなり、集積、沈降しやすいという欠点がある。油溶性ＱＤｓのリガンドを修飾する場合に触媒を加える必要があり、ＱＤｓ自身を消光することを引き起こす。現在、水溶性低分子化合物で油溶性ＱＤｓにリガンド交換を行ってＱＤｓの水溶性を実現することができるが、単一の低分子の配位官能基の個数が限られるため、一定の時間放置すると低分子リガンドがＱＤｓの表面から剥離しやすくなり、その結果、ＱＤｓの凝集、沈殿を招く。
本発明が主に解決しようとする技術的課題は、安定した水溶性量子ドットを得ることができるほか、既存の量子ドットの光学的性質を保持し、フィルムの作製に寄与可能な水溶性量子ドット、その作製方法及び量子ドットフィルムの作製方法を提供することである。
上述した技術的課題を解決するために、本発明が採用する技術方案は水溶性量子ドットを提供することである。前記水溶性量子ドットの量子ドット周辺に結合するリガンドは、水溶性のポリメルカプトポリマーである。前記ポリメルカプトポリマーは、前記ポリメルカプトポリマーの複数のメルカプト基により量子ドット周辺に結合することで、前記水溶性量子ドットを形成する。
上述した技術的課題を解決するために、本発明が採用する他の技術方案は水溶性量子ドットの作製方法を提供することである。前記方法は、油溶性量子ドット及びポリメルカプトポリマーをそれぞれ提供するステップと、不活性ガス雰囲気下において、前記ポリメルカプトポリマーと前記油溶性量子ドットを混合反応させてリガンド交換させるステップと、水を適量加え、反応後の上層の水溶液を回収し、前記水溶性量子ドットを作製し得るステップと、を含む。ポリメルカプトポリマーを提供する前記ステップは、アミノ基を有するポリマー及びアルケンスルフィドを無水クロロホルムに溶解させ、第１の所定条件で反応させて前記ポリメルカプトポリマーを得るステップを含む。不活性ガス雰囲気下において、前記ポリメルカプトポリマーと前記油溶性量子ドットを混合反応させてリガンド交換させる前記ステップは、不活性ガス雰囲気下において、前記ポリメルカプトポリマーを前記油溶性量子ドットにゆっくり滴下し、第１温度で第１の所定時間反応させた後、水を適量加えるとともに第２温度まで昇温させてから第２の所定時間反応させるステップを含む。反応後の上層の水溶液を回収して前記水溶性量子ドットを作製し得る前記ステップは、降温後に微量のジチオトレイトールを加え、抽出を行って上層の水溶液を回収し、前記水溶性量子ドットを作製し得るステップを含む。
前記アルケンスルフィドは、エチレンスルフィドである。
前記第１の所定条件は、６０℃で磁気撹拌しながら１０時間反応させることである。
前記アミノ基を有するポリマーは、キトサン、ポリドーパミン、ポリエチレンイミン及びポリリジンのうちの少なくとも１種である。
前記第１温度は５０℃であり、前記第１の所定時間は２時間であり、前記第２温度は９０℃であり、前記第２の所定時間は２時間である。
上述した技術的課題を解決するために、本発明が採用するもう１つの技術方案は量子ドットフィルムの作製方法を提供することである。前記方法は、電荷を帯びた有機ポリマーフィルムを基板上に一層コーティングするステップと、前記有機ポリマーフィルムの電荷と反対の電荷を帯びた前記水溶性量子ドットを用いて、前記基板の前記有機ポリマーフィルム上に第２層の量子ドットフィルムを形成するステップと、前記第２層の量子ドットフィルム上に多層の有機ポリマーフィルム、量子ドットフィルムを順にそれぞれ形成することで、多層の制御可能な複合フィルムを形成するステップと、を含む。
前記有機ポリマーフィルムは、負電荷を帯びたポリスチレンスルホン酸ナトリウムフィルムである。前記水溶性量子ドットは、正電荷を帯びる。
前記水溶性量子ドットを用いて、前記基板の前記有機ポリマーフィルム上に第２層の量子ドットフィルムを形成する前記ステップは、表面に正電荷を帯びた基板をポリスチレンスルホン酸ナトリウム溶液中に２０分浸漬した後、超純水でリンスを行って窒素ガスでブローして乾燥し、負電荷を帯びた一層の有機ポリマーフィルムを基板上にコーティングするステップと、前記基板を、作製された水溶性量子ドット溶液に２０分浸漬した後、超純水でリンスを行って窒素ガスでブローして乾燥し、負電荷を帯びた第１層の有機ポリマーフィルムと、正電荷を帯びた第２層の量子ドットフィルムとを基板上にそれぞれコーティングするステップと、を含む。
本発明は以下の顕著な効果を奏する。従来技術に比べて、本発明では、メルカプト基と金属原子との結合が強くて、ポリメルカプトポリマーに複数のメルカプト基を有するため、ポリメルカプトポリマーが量子ドットに強固に結合して量子ドットから剥離しにくくなり、親水性のポリメルカプトポリマーが量子ドット外周に強固に付着することで、油溶性量子ドットを水溶性量子ドットに変える。このような態様により、安定した水溶性量子ドットを得ることができるほか、既存の量子ドットの光学的性質を保持することもできる。
以下、本発明について、図面を参照しながら詳しく説明する。
本発明は、水溶性量子ドットを提供する。
図１に示すように、前記水溶性量子ドット１０の量子ドット１周辺に結合するリガンドは、水溶性のポリメルカプトポリマー２である。ポリメルカプトポリマー２は、ポリメルカプトポリマー２の複数のメルカプト基２１により量子ドット１周辺に結合し、これにより、水溶性量子ドット１０を形成する。ポリメルカプトポリマー２は、複数のメルカプト基２１及びポリマー２２からなり、通常、ポリマーとメルカプト基を有する化合物により生成され得る。量子ドット１周辺に結合するリガンドは、複数の水溶性のポリメルカプトポリマー２であってもよい。また、図１では、量子ドット周辺には、３つの水溶性のポリメルカプトポリマー２が結合される。
なお、油溶性量子ドットは、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＴｄ／ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＣｄＳ／ＺｎＳなどの、５２５ｎｍ、５６５ｎｍ、６５０ｎｍの異なる発光波長のコアシェル構造の量子ドットを含んでもよいが、これらに限定されない。
メルカプト基と反応する前のポリマー２２は、キトサン、ポリドーパミン、ポリエチレンイミン及びポリリジンのうちの少なくとも１種を含んでもよいが、これらに限定されない。これらのポリマーは、優れた粘着性や成膜性を有し、正に帯電した水溶性ポリマーであり、その後の静電交互積層法（ＬＢＬ）による量子ドットフィルムの作製に寄与することができる。
メルカプト基と金属原子との結合が強くて、ポリメルカプトポリマーに複数のメルカプト基を有するため、ポリメルカプトポリマーが量子ドットに強固に結合して量子ドットから剥離しにくくなり、親水性のポリメルカプトポリマーが量子ドット外周に強固に付着することで、油溶性量子ドットを水溶性量子ドットに変える。このような態様により、安定した水溶性量子ドットを得ることができるほか、既存の量子ドットの光学的性質を保持することもできる。
図２は、本発明に係る水溶性量子ドットの作製方法の一実施形態を示すフローチャートである。この方法は以下のステップを含む。
ステップＳ１０１：油溶性量子ドット及びポリメルカプトポリマーをそれぞれ提供する。
ステップＳ１０１：油溶性量子ドット及びポリメルカプトポリマーをそれぞれ提供する。
有機相合成法による油溶性量子ドットの作製は、１つの制御可能な作製過程であり、反応時間を制御することによって粒径の異なるＱＤｓを作製することができる。また、有機相合成法で作製されたＱＤｓは、量子収率が高く、光安定性や単分散性に優れるなどの、水相法で合成されたＱＤｓにない利点を有する。従来技術の方法によれば、油溶性量子ドットを作製することができる。
ポリメルカプトポリマーは、複数のメルカプト基及びポリマーからなり、ポリマーとメルカプト化合物、ポリチオール、アルケンスルフィドなどの物質を反応させることで作製し得るものである。
ステップＳ１０２：不活性ガス雰囲気下において、ポリメルカプトポリマーと油溶性量子ドットを混合反応させてリガンド交換させる。
不活性ガスは、ポリメルカプトポリマー間の反応を防止する役割を果たす。このステップを行うのは、油溶性量子ドット周辺に結合した疎水性リガンドをポリメルカプトポリマーに置換させるためである。したがって、ポリメルカプトポリマー間の反応は望ましくない。不活性ガスは、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどであってもよい。
メルカプト基と金属原子との結合が強くて、不活性ガス雰囲気下において、ポリメルカプトポリマー間で反応を生じる確率が低くて、油溶性量子ドット周辺に結合した疎水性リガンドに代わって攻撃することで、疎水性リガンドの代わりに、ポリメルカプトポリマーを用いて量子ドット周辺に結合させ、その結果、量子ドットを被覆する。ポリメルカプトポリマーは親水性のため、このような態様によれば、油溶性量子ドットを水溶性量子ドットに変えるとともに、量子ドットの光学的性質に影響を与えない。
ステップＳ１０３：水を適量加え、反応後の上層の水溶液を回収して水溶性量子ドットを作製し得る。
油溶性量子ドットは、有機溶剤のみに溶解できる。このため、ポリメルカプトポリマーと油溶性量子ドットを混合反応させる場合は、有機相で行われる。反応終了後に、水を適量加え（加える水の量は実情に応じて適宜決定してもよい）、ポリメルカプトポリマーは水に対して溶解するものであるため、ポリメルカプトポリマーで量子ドットを被覆した後でも水に対して溶解可能である。したがって、水を加えた後、ポリメルカプトポリマーで被覆された量子ドットを水中に移動させ、反応後の上層の水溶液を回収して水溶性量子ドットを作製し得る。
本発明の実施形態では、油溶性量子ドット及びポリメルカプトポリマーをそれぞれ提供し、不活性ガス雰囲気下において、ポリメルカプトポリマーと油溶性量子ドットを混合反応させてリガンド交換させ、水を適量加え、反応後の上層の水溶液を回収して水溶性量子ドットを作製し得る。メルカプト基と金属原子との結合が強くて、ポリメルカプトポリマーに複数のメルカプト基を有するため、ポリメルカプトポリマーが量子ドットに強固に結合して量子ドットから剥離しにくい。なお、親水性のポリメルカプトポリマーは量子ドット外周に強固に付着することで、油溶性量子ドットを水溶性量子ドットに変える。このような態様により、安定した水溶性量子ドットを得ることができるほか、既存の量子ドットの光学的性質を保持することもできる。
なお、ステップＳ１０１において、ポリメルカプトポリマーを提供するステップは、アミノ基を有するポリマー及びアルケンスルフィドを無水クロロホルムに溶解させ、第１の所定条件で反応させてポリメルカプトポリマーを得るステップであってもよい。
まず、アルケンスルフィドを開環させてメルカプトアルカンを生成する。次に、アミノ基を有するポリマーとメルカプトアルカンを反応させ、ポリマーの複数のアミノ基をメルカプト基に置換してポリメルカプトポリマーを生成する。
まず、アルケンスルフィドを開環させてメルカプトアルカンを生成する。次に、アミノ基を有するポリマーとメルカプトアルカンを反応させ、ポリマーの複数のアミノ基をメルカプト基に置換してポリメルカプトポリマーを生成する。
具体的には、アルケンスルフィドは、エチレンスルフィドである。第１の所定条件は、６０℃で磁気撹拌しながら１０時間反応させることである。すなわち、図３に示すように、アミノ基を有するポリマー（Ｐ−ＮＨ２と略記する）及びエチレンスルフィドを無水クロロホルムに溶解させ、６０℃で磁気撹拌しながら１０時間反応させ、アミノ基でエチレンスルフィドを開環させ、複数のメルカプト基を有するポリマー（Ｐ−ＳＨと略記する）を作製し得る。
なお、アミノ基を有するポリマーは、キトサン、ポリドーパミン、ポリエチレンイミン及びポリリジンのうちの少なくとも１種である。これらのポリマーは、優れた粘着性や成膜性を有し、正に帯電した水溶性ポリマーであり、その後の静電交互積層法（ＬＢＬ）による量子ドットフィルムの作製に寄与することができる。
なお、油溶性量子ドットは、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＴｄ／ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＣｄＳ／ＺｎＳなどの、５２５ｎｍ、５６５ｎｍ、６５０ｎｍの異なる発光波長のコアシェル構造の量子ドットを含んでもよいが、これらに限定されない。
また、具体的には、ステップＳ１０２は、不活性ガス雰囲気下において、ポリメルカプトポリマーを油溶性量子ドットにゆっくり滴下し、第１温度で第１の所定時間反応させた後、水を適量加えるとともに第２温度まで昇温させてから第２の所定時間反応させるステップを含んでもよい。
ポリメルカプトポリマーを油溶性量子ドットにゆっくり滴下して反応させる場合の反応条件は、具体的に、実情に応じて適宜決定する必要があり、反応系によって異なる。
具体的には、ステップＳ１０３は、降温後に微量のジチオトレイトールを加え、抽出を行って上層の水溶液を回収し、水溶性量子ドットを作製し得るステップを含んでもよい。
ジチオトレイトールは、還元保護剤としての役割を果たし、各水溶性量子ドットのポリメルカプトポリマーの遊離、非結合のメルカプト基間の反応を防止するために用いられる。これにより、各水溶性量子ドットを集積させずに可能な限り独立分散させ、すなわち、水溶性量子ドットの分散性をさらに高める。当然のことながら、実用的には、他の還元保護剤を用いてもよい。
具体的には、第１温度は５０℃、第１の所定時間は２時間、第２温度は９０℃、第２の所定時間は２時間である。
すなわち、図４に示すように、不活性ガス雰囲気下において、クロロホルムに溶解した油溶性量子ドット（例えば、油溶性量子ドットは、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＴｄ／ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＣｄＳ／ＺｎＳなどの、５２５ｎｍ、５６５ｎｍ、６５０ｎｍの異なる発光波長のコアシェル構造の量子ドットを含む）溶液に、作製して得られたＰ−ＳＨをゆっくり滴下しながら５０℃で撹拌を行い、２時間反応させた後、水を適量加えて９０℃まで昇温させてから撹拌しながら２時間反応させ、降温後に微量のジチオトレイトール（Ｄｉｔｈｉｏｔｈｒｅｉｔｏｌ；ＤＴＴと略記する）を加え、抽出を行って上層の水溶液を回収し、水溶性量子ドット溶液を作製し得る。
図５は、本発明に係る量子ドットフィルムの作製方法の一実施形態を示すフローチャートである。ＬＢＬ膜形成法では、特殊な設備は不要であり、常温常圧下において実現可能であるとともに、膜厚を制御可能であり、水溶液中で作製を行うために環境汚染を起こさないなどの利点を有する。本実施形態では、ＬＢＬ膜形成法が用いられる。この方法は、以下のステップを含む。
ステップＳ２０１：電荷を帯びた有機ポリマーフィルムを基板上に一層コーティングする。
ステップＳ２０１：電荷を帯びた有機ポリマーフィルムを基板上に一層コーティングする。
ステップＳ２０２：有機ポリマーフィルムの電荷と反対の電荷を帯びた上記の水溶性量子ドットを用いて、基板の有機ポリマーフィルム上に第２層の量子ドットフィルムを形成する。
ＬＢＬ膜形成の基本原理は、静電交互積層によって組織化し、すなわち、隣接する２層のフィルムが互いに反対の電荷を帯びることで静電交互積層による自己組織化を実現する点にある。このため、このステップにおいて、上記水溶性量子ドットを用いる場合、この水溶性量子ドットは、有機ポリマーフィルムの電荷と反対の電荷を帯びるという条件を満たす必要がある。電荷を帯びなかったり、有機ポリマーフィルムの電荷と同じ電荷を帯びたりする水溶性量子ドットは、本発明の量子ドットフィルムの作製方法に適していない。
ステップＳ２０３：第２層の量子ドットフィルム上に多層の有機ポリマーフィルム、量子ドットフィルムを順にそれぞれ形成することで、多層の制御可能な複合フィルムを形成する。
組織化の回数を制御することによって、所望の層数や厚さの量子ドットフィルムを得ることができる。
本発明の実施形態では、電荷を帯びた有機ポリマーフィルムを基板上に一層コーティングし、有機ポリマーフィルムの電荷と反対の電荷を帯びた上記の水溶性量子ドットを用いて、基板の有機ポリマーフィルム上に第２層の量子ドットフィルムを形成し、次に、第２層の量子ドットフィルム上に多層の有機ポリマーフィルム、量子ドットフィルムを順にそれぞれ形成することで、多層の制御可能な複合フィルムを形成する。有機ポリマーフィルムの電荷と反対の電荷を帯びた水溶性量子ドットを用いるため、この水溶性量子ドットが水に良好に溶解することができるほか、既存の量子ドットの光学的性質を保持することができる。また、ＬＢＬ膜形成法では、特殊な設備は不要であり、常温常圧下において実現可能であるとともに、膜厚を制御可能であり、水溶液中で作製を行うために環境汚染を起こさないなどの利点を有する。
なお、有機ポリマーフィルムは、負電荷を帯びたポリスチレンスルホン酸ナトリウムフィルムである。また、水溶性量子ドットは、正電荷を帯びる。
具体的には、図６に示すように、一実施形態では、表面に正電荷を帯びた基板をポリスチレンスルホン酸ナトリウム（Ｐｏｌｙ（ｓｏｄｉｕｍ−ｐ−ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ）；ＰＳＳと略記する）溶液中に２０分（ｍｉｎ）浸漬した後、超純水でリンスを行って窒素ガスでブローして乾燥し、負電荷を帯びた一層の有機ポリマーフィルム２００を基板１００上にコーティングする。次に、この基板１００を作製された上記水溶性量子ドット溶液に２０分浸漬した後、超純水でリンスを行って窒素ガスでブローして乾燥し、負電荷を帯びた第１層の有機ポリマーフィルム２００と、正電荷を帯びた第２層の量子ドットフィルム３００とを基板１００上にそれぞれコーティングする。上記処理を繰り返し順に実行することで、ＰＳＳ／Ｐ―ＱＤｓ／ＰＳＳの量子ドット複合フィルムを得ることができるほか、組織化の回数を制御することによって、所望の層数や厚さの量子ドットフィルムを得ることができる。
上述したのは、本発明の実施形態に過ぎず、これによって本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。本発明の明細書及び図面の内容を用いて行われた同等の構造又は同等のプロセスの変換、又は他の関連技術領域に直接又は間接的に適用することは、いずれも本発明の特許請求の保護範囲内に含まれるものとする。
Claims (5)
- 水溶性量子ドットの作製方法であって、
油溶性量子ドット及びポリメルカプトポリマーをそれぞれ提供するステップと、
不活性ガス雰囲気下において、前記ポリメルカプトポリマーと前記油溶性量子ドットを混合反応させてリガンド交換させるステップと、
水を適量加え、反応後の上層の水溶液を回収し、前記水溶性量子ドットを作製し得るステップと、を含み、
ポリメルカプトポリマーを提供する前記ステップは、アミノ基を有するポリマー及びアルケンスルフィドを無水クロロホルムに溶解させ、第１の所定条件で反応させて前記ポリメルカプトポリマーを得るステップを含み、
不活性ガス雰囲気下において、前記ポリメルカプトポリマーと前記油溶性量子ドットを混合反応させてリガンド交換させる前記ステップは、不活性ガス雰囲気下において、前記ポリメルカプトポリマーを前記油溶性量子ドットにゆっくり滴下し、第１温度で第１の所定時間反応させた後、水を適量加えるとともに第２温度まで昇温させてから第２の所定時間反応させるステップを含み、
反応後の上層の水溶液を回収して前記水溶性量子ドットを作製し得る前記ステップは、降温後に微量のジチオトレイトールを加え、抽出を行って上層の水溶液を回収し、前記水溶性量子ドットを作製し得るステップを含むことを特徴とする水溶性量子ドットの作製方法。 - 前記アルケンスルフィドは、エチレンスルフィドであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第１の所定条件は、６０℃で磁気撹拌しながら１０時間反応させることであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
- 前記アミノ基を有するポリマーは、キトサン、ポリドーパミン、ポリエチレンイミン及びポリリジンのうちの少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第１温度は５０℃であり、
前記第１の所定時間は２時間であり、
前記第２温度は９０℃であり、
前記第２の所定時間は２時間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
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