レモン果汁から水熱合成した高輝度蛍光カーボン量子ドットの光学特性評価

概要

レモン果汁を炭素源として簡便な水熱反応により、水溶性蛍光カーボン量子ドット（CQDs）を合成しました。得られたCQDsの平均サイズは3.1 nmで、均一な形態と優れた結晶性を示し、UV光または青色光照射下で明るい青緑色発光を呈します。蛍光はCQDsの表面とエッジに存在する酸素含有官能基によって主に誘起されることを見出しました。さらに、調製したCQDsが植物細胞のイメージングに応用可能であることを実証。本研究は、新規開発されたカーボンナノ構造体の作製、解析、応用に関するものです。

背景

カーボン量子ドット（CQD）は、通常20 nm以下の空間サイズを持つ炭素ベースのナノ材料の新クラスであり、2004年にXuらによって発見されました。2006年にはSunらがグラファイト粉末のレーザーアブレーションにより蛍光カーボンナノ粒子を作製し、以降「カーボン量子ドット（CQDs）」と呼ばれるようになりました。蛍光CQDsは光触媒、オプトエレクトロニクスデバイス、生物医療、薄膜ディスプレイ、健康照明など幅広い分野への応用ポテンシャルを秘めています。従来の半導体量子ドットと比較して、CQDsは低コスト製造技術で得られ、優れた生体適合性、精密な生物学的ターゲティング、低毒性、強い量子サイズ効果などの魅力的な特徴を持ちます。近年、優れた構造的・光学的特性により蛍光CQDsは大きな注目を集めており、生物イメージング、生物標識、量子ドットLED（QLED）、環境保護などの分野で従来型半導体量子ドットの代替材料として提案されています。CQDs研究は凝縮系物理学、材料科学、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクスで急速に発展し、世界中で基礎・応用研究が広く展開されています。

現在、CQDs合成には水熱法、マイクロ波法など多様な手法が存在し、グルコース、クエン酸、アスコルビン酸など様々な炭素前駆体から合成されてきました。しかし、生体適合性蛍光CQDsを大規模生産する効率的技術は依然として課題であり、実用応用の障壁となっています。食品や副産物から直接CQDsを合成することは、有望かつ重要な戦略の一つです。例えば、パルプフリーレモン果汁のエタノール溶液を加熱して平均径4 nm、水中量子収率（QY）28%の赤色発光カーボンドット（R-CDs）が合成されています。強還元剤NaBH₄を添加して発光強度を高める手法も報告されていますが、NaBH₄は毒性があります。最近では、豆腐廃水から毒性物質を添加せずに緑色・青色発光CQDsを作製する報告もあります。食品由来のCQDsは既知の毒性がほぼなく、生物学的応用に安全と考えられています。近年、無毒炭素資源からワンポット法でCQDsを合成する本格的研究が進み、合成・解析・応用で大きな進展があります。例えば、ニンニクをグリーン資源としてCQDsを合成し、窒素含有量とC–N、C=N結合の形成が発光量子収率向上の鍵であることが示されました。さらに、これらのCQDsは広いpH範囲と高濃度NaCl中で優れた安定性を示し、厳しい条件下での応用が可能です。

本研究の主目的は、比較的低温かつ短時間の水熱処理により、レモン果汁から低コストでCQDsを効率的に製造するシンプルな実験法を開発することです。レモン果汁は安価かつ容易に入手できるため、CQDsベースのサンプル・デバイス作製に適した炭素源です。先行研究と比較して、本研究で得られた無毒CQDsは生物イメージングや細胞マーカーにより適しています。また、レモン果汁由来CQDsの基本的な材料特性と光学特性を検証し、植物細胞イメージングへの応用を行いました。

方法

前駆体材料

炭素前駆体材料として新鮮なレモン果汁を使用。主要成分とその割合は高速液体クロマトグラフィー（HPLC）測定により表1に示す通り。サンプル調製用の新鮮なレモン（炭素源）と新鮮なタマネギ（細胞イメージング用）は地元のスーパーマーケットで購入。エタノールは分析級を分散剤として使用。実験には脱イオン水（18.25 MΩ·cm）を使用。

CQDsの合成

レモン果汁からシンプルな水熱処理でCQDsを合成。代表的な調製プロセスを図1に示します。パルプフリーレモン果汁80 mLとエタノール60 mLを混合し、ポリテトラフルオロエチレン製内装のステンレス製オートクレーブに移し、約120°Cで3時間一定温度加熱。反応後、自然冷却して室温まで下げ、暗褐色生成物を得ました。ジクロロメタンで過量洗浄（2-3回繰り返し）して未反応有機成分を除去。脱イオン水を加えて溶液量を約1/3まで増やし、10,000 rpmで15分遠心分離して大粒子を分離。こうして、グルコース、フルクトース、ショ糖、アスコルビン酸、クエン酸などの炭水化物と有機酸を含むレモン果汁の炭化によりCQDsサンプルを得ました。本手法は報告法と比較して低温（120°C）かつ短時間（3時間）で実施可能です。

キャラクタリゼーション

レモン果汁由来CQDsの形態と微細構造は透過型電子顕微鏡（JEM 2100、日本、300 kV）で解析。結晶相はX線回折（Rigaku TTR-III、日本、Cu-Kα線、λ=0.15418 nm）で調査。UV-Vis吸収スペクトルは分光光度計（Specord200）で測定。光誘起発光は蛍光分光光度計（IHR320、HORIBA Jobin Yvon、米国）で励起波長330-490 nmの範囲で測定。X線光電子分光法（XPS）スペクトルはPHI5000 Versa Probe II光電子分光計（Al Kα、1486.6 eV）で記録。

結果と考察

CQDsのTEM像を図2に示します。低倍率TEM像（図2a）では、調製サンプルのCQDsが均一に分散していることがわかります。CQDsは球形で、2.0-4.5 nmの狭いサイズ分布、平均サイズ3.1 nmを示します（図2b, c）。図2dは0.215 nmの格子間隔を示し、これはグラファイト炭素の[100]面に対応。対応する高速フーリエ変換（FFT）パターン（図2e）は高結晶構造を示し、先行報告と一致。先行研究と比較しても、本研究のCQDsは良好な品質とより均一な形態を示します。したがって、容易な水熱処理プロセスにより、均一な球状形態と良好な結晶性を持つCQDsを製造できます。CQDsの生産収率（PY）はPY = (m/M)×100%で計算可能（m：CQDs質量、M：生レモン果汁質量）。本研究でのCQDs生産収率は約0.1%、すなわちクエン酸6.30%含有100 g液体から約0.1 g CQDsが得られます（表1参照）。

CQDsの典型的なXRDとXPSプロファイルを図3に示します。2θ≈21.73°に広い(002)ピークが観察され、層間距離は0.409 nmと計算され、グラファイト構造に対応（図3a）。これは他の手法で調製されたCQDsの報告値と類似。層間距離の変動は、水熱反応過程でCQDs表面とエッジに–OHや–COOHなどの酸素含有基が導入されたことによる可能性があります。XPSとFTIRでCQDsの組成を検出。図3b, cに示す通り、XPSスペクトルはグラファイト由来の優占的なC1sピーク（284.5 eV）とO1sピーク（531.4 eV）を示します。C1sの高分解能スキャン（図3c）では、284.7、286.5、288.9 eVのピークがそれぞれC=C/C–C、C–O、C=O/COOHに帰属。CQDsがヒドロキシル、カルボニル、カルボキシル基で官能基化されており、表面修飾・官能基化に有利で、水溶性にも寄与することが明確です。図3dはCQDsのFTIRスペクトル。3450 cm⁻¹（O–H伸縮）、2927 cm⁻¹、1407 cm⁻¹（C–H伸縮）、1726 cm⁻¹（C=O伸縮）、1639 cm⁻¹（C=C伸縮）、1227 cm⁻¹（C–OH伸縮）、1080 cm⁻¹（C–O伸縮）のピークにより、多様な酸素官能基の存在が確認されました。特に、1290 cm⁻¹のC–O–C（エポキシ）ピークが完全に消失していることが注目されます。これらの結果は、エポキシ基の切断と基盤となるC–C結合の形成、続いてグルコース、フルクトース、アスコルビン酸、クエン酸などの小分子前駆体からsp²ドメインが抽出され、さらなる脱水・炭化を経て最終的にCQDsが形成されるメカニズムを示唆しています。したがって、周囲の酸素基の結合切断がCQDs形成に寄与しています。

CQDsの光学特性を調べるため、UV-Vis吸収と光ルミネッセンス（PL）スペクトルを測定。図4aに示す通り、CQDsの光吸収ピークは紫外領域に観察され、283 nmに最大吸収を示し、これはC=Oバンドのn-π*遷移に起因。図4bのPLスペクトルでは、励起波長410 nmでPL発光波長が482 nmにピークを示します。励起波長を330から490 nmに増加させると、発光波長は430から530 nmへレッドシフト。励起波長の増加に伴い蛍光ピークがレッドシフトし、光子再吸収の発生を示唆。この結果、CQDsは励起波長依存性PL特性を持つことがわかります。緑色蛍光CQDsも励起波長変化に伴ってシフトする広いPLピークを示し、これは量子閉じ込め効果とエッジ欠陥に関連。標準PL測定法（参考文献[22]）により、励起波長410 nmでのCQDs蛍光量子収率は16.7%（キニーネ硫酸を基準）。この値は、レモン果汁由来CQDsの先行報告（8.95%）より有意に優れています。CQDsのQYは表面修飾やパッシベーションで大幅に向上することが知られています。合成工程でのエタノール添加によりより多くの官能基が導入され、CQDsのQY向上に寄与したと考えられます。しかし、本研究のCQDsのQYは、クエン酸（CA）とエタノールアミン（EA）をモデル分子として用いた合成法で得られるCQDsのQY（180°C熱分解で50%）より著しく低い値です。これは合成過程でのNドーピングによるものです。

無毒で環境友好的なCQDsは、半導体量子ドットの代替としてin vitroおよびin vivoの生物学的システムへの応用が期待されます。調製したCQDsをタマネギ表皮細胞の光学イメージングに適用（図5）。蛍光顕微鏡観察では、タマネギ内表皮細胞の細胞壁と核が鮮明に、立体感良く観察されました。結果は、カーボン量子ドットによる染色とイメージングが優れており、生物への悪影響や細胞形態の損傷が観察されず、CQDsの低細胞毒性をさらに実証しています。共焦点画像（図5）は、レモン果汁由来CQDsが植物細胞イメージングにおける蛍光指標として使用可能であり、CQDsの生物イメージング応用の可能性を示しています。

結論

本研究では、レモン果汁を炭素源として容易な水熱反応により水溶性蛍光カーボン量子ドットを合成しました。これらのCQDsは優れた材料特性と光学特性を持ち、UV光または青色光照射下で明るい青緑色蛍光を発します。CQDsが植物細胞イメージングに利用可能であることを実証しました。これらの重要かつ意義深い知見が、CQDsのより深い理解と、新規カーボンベースナノ構造体の更なる実用応用の探求に貢献することを期待します。

略語

CQDs:

カーボン量子ドット

FFT:

高速フーリエ変換

HPLC:

高速液体クロマトグラフィー

PL:

光ルミネッセンス

QLED:

量子ドットLED

QY:

量子収率

R-CDs:

赤色発光カーボンドット

TEM:

透過型電子顕微鏡

UV-Vis:

紫外-可視

XPS:

X線光電子分光法

XRD:

X線回折