発光性シリカナノ粒子の包括的レビュー：分類、合成、実用応用

概要

発光性材料は、その独自の光学的特性により世界的な関心を集めています。光に対して透明なシリカは、発光性材料の理想的なマトリックスとなります。発光性シリカナノ粒子（LSNs）は、優れた化学的・熱的安定性を備えるため、幅広い応用が期待されています。さまざまなサイズのシリカ球は、異なる合成法によって特定の要件を満たすように作製可能です。多様な発光性色素がそれぞれ異なる用途に適していますが、消光剤などの多くの要因により、その性能は必ずしも十分ではありません。本レビューでは、LSNsの分類、合成、応用における発展について論じます。特に、シリカが発光性色素の特性をどう改善し、システム内でどのような役割を果たすかを重点的に解説します。さらに、生物学、ディスプレイ、センサーにおける応用についても記述します。

はじめに

発光性材料は、特殊な光学的特性により広く応用されています[1]。しかし、低い疎水性や生体適合性、高毒性、低吸収率などの欠点により、実用応用が制限されています[2-5]。したがって、実用的要件を満たすために発光性材料を修飾する必要があります。

優れた特性を持つLSNsは、生物学[6,7]、照明[8]、センサー[9]などの分野で注目を集めています。その特徴的な光学的特性により、光学材料の中で独自の地位を確立しています[10]。シリカは光に対して透明であるため、蛍光材料のマトリックスとして理想的です。熱力学的・化学的安定性もマトリックスとして重要な要素であり、シリカはこれらを兼ね備えています[11]。さらに、シリカ表面は容易に修飾可能で、多様な官能基を導入して様々な要求に対応できます[12]。これらの利点を持つシリカは、発光性材料の特性向上のための理想的な基板となります[13]。異なるナノ材料をシリカナノ粒子の内部や表面に組み立て、封入、統合することで、多機能ナノシステムを構築できます[11]。発光性材料を修飾することで、優れた特性を持つLSNsが最先端研究で注目されています[14]。Montaltiらは、有機色素ドープシリカを用いた医療イメージングに関する優れた研究をまとめています[6]。シリカはホスフォアに安定で多機能なプラットフォームを提供しますが、長期毒性の研究が必要です。Michael Schäfrlingは発光センサーの技術を示しました[9]。選択性と感度はセンサー材料の核心です。鄒華らは有機シリカ修飾の手法を詳述しました。ナノコンポジットは個別の成分より優れた特性を示します[15]。生物学など特定分野に焦点を当てた優れたレビューは多数あります[6,7,16]が、LSNsの体系的な紹介と他分野での優れた性能についての包括的な解説は不足しています。

本レビューでは、まずLSNsの分類から始め、その合成法を論じます。LSNsの分類は、発光性材料の分類に基づいて体系的に確立されます。化学的特性と発光メカニズムの観点から、有機発光分子、発光性金属ドープホスフォア、量子ドット（QDs）ドープホスフォアの3つが代表的なホスフォアであり、それぞれ独自の発光メカニズムと利点をLSNsの代表として持っています[17-19]。ハイライトは、シリカがいかにホスフォアの特性を向上させるかです。発光性材料の応用における欠点を踏まえ、LSNsの性能向上のための戦略を議論します。生物学的応用だけでなく、ディスプレイやセンサーへの応用も含みます。

LSNsの分類

さまざまな輝度を発する発光現象は材料分野で大きな価値を持ちます[20]。信号対雑音比、安定性、環境適応性を向上させるための発光性材料修飾に関する研究が数多く行われてきました。ランタニド錯体へのアンテナ配位子の導入による発光性能向上は、修飾の典型的な例です。シリカは、異なる機能と化学的特性を持つ材料を混合するための良好なマトリックスです。ホスフォアをシリカマトリックスにドープすることで、その固有の欠点を修正し、特性を改善できます。これは、容易に修飾可能で無毒なシリカ表面と発光性色素の保護により、広範な応用に有利です。多機能性と調整可能な適応性を持つLSNsは、ますます注目されています。すべての発光性ホスフォアの中で、有機発光分子、発光性金属ドープホスフォア、QDsの3つが最も代表的なカテゴリーであり、特筆に値します。これら3つの色素をシリカと組み合わせた典型的なLSNsとして示します。代表例を表1にまとめます。

有機発光分子ドープLSNs

有機発光分子は、π共役環構造と小さなサイズを持つ重要な発光性材料です[16]。しかし、非特異的ラベリングと褪色が応用を阻害しています。有機色素ドープシリカナノ粒子は、優れた安定性、選択性、生体適合性を備え、広く研究されています[52,53]。Van Blaaderenら[21]は、発光性シリカ球の合成を初めて試みました。フルオレセインイソチオシアネート（FITC）を、APS（(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン）の助けを借りてシリカ表面に共有結合で固定化し、色素とシリカを結合する実現可能な方法を示しました。このプロセスに着想を得て、Andrewら[22]は2層構造の二重発光蛍光シリカナノ粒子を合成しました。テトラメチルローダミンイソチオシアネート（TRITC）とFITCの2種類の色素を、無水窒素環境下でAPSを介してシリカに共役させました。概略図とSEM画像（図1a）にナノ粒子のナノ構造が示されています。まずTRITCドープシリカをコアとして合成し、さらにテトラエトキシシラン（TEOS）でFITCをコア表面に共役させました。合成された二重発光蛍光シリカナノ粒子は、ラット好塩基性白血病マスト細胞（RBL-2H3）において細胞内pH値の測定に成功しました（図1b-d）。

a 基準色素（TRITC）とセンサー色素（FITC）を用いた二重発光蛍光シリカナノ粒子の形成図と走査型電子顕微鏡（SEM）画像；RBLマスト細胞の共焦点蛍光顕微鏡画像（赤：TRITCシリカ粒子、緑：AlexaFluor 488-コレラ毒素B）；RBLマスト細胞のpHセンサーとしての共焦点蛍光顕微鏡画像。b 基準チャネル、c センサーチャネル、d オーバーレイ画像、e 実験に基づくpH値の疑似カラー比率イメージング [22]

有機蛍光体の光安定性を向上させるため、シリカ封入は一般的な修飾法です。焦龍ら[23]は、4種類のアミノシアニン色素を近赤外（NIR）蛍光プローブとして選び、それぞれを一般的なシラン結合剤である3-アミノプロピルトリエトキシシラン（APTES）と共役させました。マイクロエマルジョン系で処理済みNIR色素とともにTEOSを加水分解し、遠心分離と洗浄後にシアニン負荷蛍光シリカナノ粒子（FSNPs）を得ました。全工程を図2aに示します。図2bに見られるように、シリカに封入された4種類のFSNPsは、遊離色素よりも優れた蛍光強度のpH安定性を示しました。同時に4種類のFSNPsは輝度も向上しました（図2c）。共焦点レーザー走査顕微鏡（CLSM）を用いて生細胞での光安定性を試験した結果、FSNP-3とFSNP-4（より多くのアンカーサイトを持つ）は遊離色素より光安定性が向上しましたが、FSNP-1とFSNP-2は改善が見られませんでした。より多くのアンカーサイトが色素分子の構造を強化します。剛直な構造を持つ色素は非放射的崩壊が少なく、分子内回転が困難になるため、より明るくなります。シリカ層は封入物質を保護し、強化された分子構造により光漂白なしで輝度を向上させます。FSNP-3と4は、MTT法により低生物学的毒性も示しました（図2d）。生体適合性もシリカの利点の一つです。

a FSNP-1、FSNP-2、FSNP-3、FSNP-4のメカニズム。b 全サンプルのさまざまなpH値における正規化強度。c FSNPsと遊離色素の発光強度。d FSNPsと24時間インキュベート後のRAW264.7マクロファージ細胞の生存率 [23]

凝集は、ほとんどの発光性色素の消光の主原因の一つです。ホスフォアをシリカで適切な濃度に安定して保持できます。凝集誘起発光ルミノゲン（AIEgens）は、従来の発光体とは異なり、この問題を抱えません。逆に、凝集により強い発光を示します[54]。生物学分野でのAIEgensの性能向上のため、多くのポリマーマトリックスがAIEgensの封入に用いられてきました。また、水や酸素など他の要因もAIEgensの消光を引き起こし、応用に悪影響を与えます。シリカはこれらの消光剤からAIEgensを保護できます[55]。以上の分析に基づき、典型的なフルオロゲンであるTPETPAFN（2つのテトラフェニルエチレンペンダントと分子内電荷移動コアからなる）を、F127（ポリ(エチレングリコール)-ブロック-ポリ(プロピレングリコール)-ブロック-ポリ(エチレングリコール)）でバイオ機能化し、コアミセルを形成しました[24]。修正ゾルゲル法でTEOSを加水分解し、コアミセル上にシリカシェルを被覆しました。図3に示すように、合成されたTPETPAFN-F127-SiO₂ナノ粒子は、シリカシェルの保護により優れた光発光特性を示しました。

a、d TPETPAFN-F127-SiO₂ NPsの蛍光画像と光子ヒストグラム、対応するb、eはTPETOAFN NPs、c、fは市販QD655 [24]

発光性金属ドープLSNs

希土類金属[56]と遷移金属[57]は、電荷移動遷移に基づく一般的な発光性金属材料です。配位子との錯体形成後の発光が、この材料の最も顕著な特徴です。金属発光には主に2つのメカニズムがあり、LMCT（配位子から金属への電荷移動）とMLCT（金属から配位子への電荷移動）です。ランタニド金属と遷移金属がそれぞれの典型的例です。豊富な電子エネルギー準位により、多様な発光性金属が異なる発光を示し、発光分野での応用に大きな可能性を秘めています[58]。局在表面プラズモン共鳴（LSPR）を持つ貴金属は、発光増強材料として広く用いられ、本節でも扱います。しかし、低い感作効率と消光が、発光性金属の応用を制限しています[59]。光安定性と生体適合性を改善するため、Francisらは配位子に置換シリル基を導入し、さらなる修飾を可能にしました[30]。シリル基修飾Eu錯体を逆マイクロエマルジョン法でシリカ被覆し、Eu@Si-OHナノ粒子を得ました。最終製品をAPTESでアミン官能基化し、Eu@Si-NH₂ナノ粒子としました。シリカ層が錯体を消光剤（OH基とNH₂基）から保護した結果、両者とも優れた光安定性を示しました（図4）。Eu@Si-NH₂ナノ粒子はバイオイメージングで良好な性能を発揮しました。

365 nm照射下での露光時間に伴う蛍光強度変化曲線、a 親Eu錯体のCHCl₃溶液、b Eu@Si-NH₂、c Eu@Si-OHナノ粒子のリン酸緩衝液（PBS）中 [30]

Ezquerroらは、MLCT発光性錯体であるIr錯体をゾルゲルプロセスでシリカ骨格に組み込み、安定性と光物理特性を向上させました[60]。シリカの保護により、これらのホスフォアは常温常圧だけでなく過酷な環境下でも優れた安定性を示し、白色発光ダイオード（WLED）への更なる応用が可能です。

Y. Liら[31]は、オレイン酸で安定化したアップコンバージョンナノ粒子（UCNPs）を合成し、マイクロエマルジョン法でシリカ層を被覆して水溶性UCNPsを得ました。さらにEu(TTA)₃phen錯体を導入し、NaGdF₄:Yb,Er@SiO₂@Eu(TTA)₃Phen（UCNPs@SiO₂@EuTP）ナノスフェアを合成しました。シリカ被覆により表面消光が抑制され、発光強度が増強されました（図5）。シリカの助けにより、2種類の異なる発光を持つ水溶性ナノ粒子が得られました。

a UCNPs@SiO₂@EuTPの形成と試料のTEM（透過型電子顕微鏡）画像；b、c UCNPs、d、e UCNPs@SiO₂、f、g UCNPs@SiO₂@EuTP [31]

Chenら[42]は、カーボンドット（CDs）と希土類イオンを用いてWLEDを実現しました。一括有機熱分解法でCDsを合成し、最大青色発光を470 nm、2つの励起ピークを251 nmと364 nmに持ちました。白色発光コンポジットを得るため、CDsを青色発光コアとし、Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺ホスフォアを橙色発光成分としました。CDsをStöber系に投入し、TEOS加水分解とともにCDsをシリカ層で被覆し、赤色ホスフォアと混合しました。遠心分離、乾燥、粉砕後、カーボンドット-シリカ-ホスフォアコンポジット（CDSP）を得ました。CDSPは紫外（UV）から黄色領域（200-600 nm）まで広い吸収を示し、特にUV領域で強い吸収を示しました。さまざまな波長で励起試験を行った結果、400 nm励起時にCDSPが純白色光（0.33, 0.33）に最も近いCIE座標（0.32, 0.32）を示しました（図6）。CDとホスフォアの質量比を調整することで白色発光を制御できることも確認しました。400 nm励起下で、最も白色に近い質量比は3.9%（0.32, 0.32）と5.1%（0.34, 0.32）でした。LEDパッケージングでは、CDSPはCD&P（CDとホスフォアを直接混合）より優れた白色発光（0.30, 0.31）を示しました。2成分がシリカにより均一に分散し、凝集と相分離の確率を低減しました。最終的に、UVダイオードチップ（375 nm）上にCDSP粉末を載せたWLEDを作製し、白色光（0.30, 0.33）を得ました。演色評価数（CRI）は約94で、YAG:Ceベースの市販WLED（CRI < 75）より高い値でした。

CDSPベースWLEDの性能：発光スペクトルと写真 [42]

シリカは、発光性材料を貴金属から適切な距離に保つ保護層として常用され、蛍光を増強します。これは、光によって自由電子の定常振動が生じるためです。発光を増強するには、色素と貴金属粒子の間を適切な距離に保つ必要があります。貴金属増強材料では、金属ナノ粒子自体が色素を消光させます（5 nm以内）が、適切な距離（約10 nm）では蛍光を100倍まで増強できます。初期の研究では、Tuo Liら[61]がマイクロエマルジョンマトリックスでAgナノ粒子をシリカシェルで被覆しました（Ag/SiO₂ナノ粒子）。銀還元後、シリカ生成に必要な試薬（TEOSとシクロヘキサン）をマイクロエマルジョンに注入しました。異なる条件（水/界面活性剤比R、水/TEOS比H）がAg/SiO₂ナノ粒子に与える影響を詳細に検討し、結果を図7に示しました。マイクロエマルジョン系を用いて、Agだけでなく他のナノ粒子にも均一で厚いシリカ層を被覆する良い手法です。Zhenhua Baiら[25]の研究は好例です。8-ヒドロキシピレン-1,3,6-トリスルホン酸（HPTS）は、独自の利点を持つ蛍光性pH感受性色素であり、細胞内pHセンサーに適しています。しかし、極端なpH条件では感度が低下します。酸性溶液では蛍光効率が著しく低下します。貴金属増強蛍光効果に基づき、HPTS吸着Ag@SiO₂ナノ粒子を調製しました（図8a）。図8bから、Ag@SiO₂-8 nm@HPTSが極端なpH条件下でも優れた蛍光強度を示すことがわかります。

a H（R=4、X=1）の関数としてのサイズ変化；b Rを変数としたときのAgクラスタのサイズ変化 [61]

a HPTS吸着Ag@SiO₂ナノ粒子の合成過程。b Ag@SiO₂-8 nm@HPTS（緑）と対照試料（赤）の蛍光強度比 [25]

QDsドープLSNs

量子閉じ込め効果により、QDsは半導体QDs、カーボンQDs、その他のタイプに関わらず優れた発光特性を示します。近年、QDsの光デバイス応用に関する研究が多数行われています。しかし、その特性が複雑な応用に適さない場合もあり、必要な修飾が不可欠です。シリカは適切なマトリックスとなります[1]。

バイオラベルと磁気共鳴イメージングの融合を実現するため、CdSe QDsを磁性Fe₂O₃コア上にシリカ層で被覆し、NH₂基を導入しました。関連画像と特性評価を図9に示します。NH₂基とバイオアンカードメンブレン（BAM）を結合させ、4T1マウス乳癌細胞膜がBAM-SiO₂-CdSe MQDsで特異的にラベルリングされました[44]。生体適合性と磁性を備えた多機能発光ナノ粒子は、医療分野で広範な応用が期待されます。

通常光下での写真で磁性修飾を証明（a、b）。c UV光下での写真で磁性と発光特性の両方を証明。d 緑色と橙色の磁性量子ドット（MQDs）のUV写真。e、f PBS溶液中のSiO₂-MQDsの発光スペクトル（e吸収、f発光） [44]

QDsの応用を広げるには、水溶性と無毒性の修飾が必要です。シリカはQDs修飾に大きな可能性を示します。Yunfei Maら[43]は、自作の相転移試薬（アデノシン5'-モノリン酸、AMP）とシラン結合剤（3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、MPS）をStöber系に導入しました。油溶性（初期CdSe/CdS/ZnS QDs）、アルコール溶性（AMP-QDs）、水溶性（QDs周囲でのTEOS加水分解）への溶解性変化の全過程を実現しました。QD@SiO₂は初期QDsと同等の光発光効率（50-65%）を維持しました。より広いpH範囲（pH 4-8から2-13）、電解質中での安定性向上、熱安定性向上、HeLa細胞での生体適合性向上などがQD@SiO₂の利点です。

光デバイスでのQDsの安定性を確保するには、ブリンク現象の影響を低減する必要があります。ブリンクはランダムな断続的発光現象で、QDs光デバイスの安定性に影響を与えます[62]。ブリンクの影響を減らすため、Botao Jiら[45]はCdSe/CdS QDsをコア材料として作製し、逆マイクロエマルジョン法で初期疎水性配位子を置換してこれらのQDsをシリカシェルに封入しました。さらに、シリカ表面にポリ(1-ビニルイミダゾール-共-ビニルトリメトキシシラン)（PVIS）をシラン結合剤としてAu層を被覆しました。ナノサイズの金シェルはプラズモン共振器として働き、QDsに増強された光学状態密度を与えました。ハイブリッド層により、QDsの特性は局所環境の激しい変化に関わらず保持されます。結果として、QDsの光安定性が向上しました。QD蛍光寿命は金被覆後、123 nsから20 nsに減少しました。ゴールデンQDsは効率的な多重励起子発光を示し、中性光発光強度はQDsより高くなりました。安定性試験の結果を図10に示します。さらに、光発光強度は数時間（最大24時間）安定して維持されました。発光安定性試験では、裸QDsの発光が1時間で劇的に低下するのに対し、シリカ層はQDsの性能をわずかに改善しましたが、次のAu層がプラズモン増強効果を発揮するための適切な間隔を提供しました。

a 量子ドット/SiO₂/Auハイブリッド（ゴールデンQD）の概略図と各段階のTEM画像（CdSe/CdS QDs、QD/SiO₂、QD/SiO₂/Au_seed、ゴールデンQDs）。b 時間経過に伴う光発光強度変化。赤：CdSe/CdS、灰色：QD/SiO₂/Au_seed、橙：ゴールデンQDs。c （b）の3種ナノ粒子の光発光減衰曲線 [45]

LSNsの合成法

LSNsの作製において、ホスフォアの選択と合成ルートの設計が核心となります。ホスフォアがLSNsの発光波長域を決定し、合成ルートが構造と機能を確立します。すべてのLSNs合成ルートはシリカを基盤としています。ゾルゲル法、逆マイクロエマルジョン法、直接ミセルアシスト法の3つが、均一で規則的なシリカ球を得る主要なアプローチであり、LSNsで用いられています。図11はこれらの方法の概略図です。

異なる方法によるLSNsの概略図。a Stöber法。b 逆マイクロエマルジョン法。c 直接ミセルアシスト法

ゾルゲル法（Stöber法）

ゾルゲル法（Stöber法とも呼ばれる）は、単分散シリカナノスフェアを得るための便利で実用的な方法です。Stöberがアンモニア触媒下でのアルコキシシラン加水分解によるサイズ制御可能なシリカ球（50 nm-2 μm）の合成を詳細に研究した以来[63]、シリカナノスフェア合成の理想的な手法となっています。エタノール/水比、アンモニア量、温度などの合成条件を制御することで、10 nmから数百nmの均一なシリカ球を容易に得られます。Stöber法を用いて、Van BlaaderenとA. Vrij Langmuirは反応系にAPSを添加することで色素（FITC）ドープシリカを合成しました[21]。APS由来のアミノ基により、シリカ球が容易にFITCを捕捉できることを示しました（図11a）。これまでに、色素以外にも多くの材料がStöber法でシリカと結合されています。Luis M. Liz-MarzanらはStöber法を改良し、(3-アミノプロピル)トリメトキシシラン（APTS）を界面活性剤として金-シリカコアシェル粒子を合成しました[64]。金コアとの結合で、APTESがシリカ封入のための化学結合ブリッジを提供します。アルカリ条件は均一なシリカ球を生成する一般的なStöber系であり、アルコキシシランの酸触媒加水分解も発光性色素のシリカ封入に実用的な方法です[65]。

Stöber法に基づく新しいタイプのLSNsが合成されました。Lingang Yangら[50]は、ビニル基のπ-πスタッキングに基づき、Stöber法で結晶性シリカを合成しました。ビニルトリエトキシシラン（VTES）を前駆体とするStöberプロセス、塩酸による中和、溶媒除去のための真空蒸留、テトラヒドロフランによる抽出が、オルガノシリカナノ結晶（OSNCs）の全工程です。同じ結晶構造を持ちながら異なるサイズの3種類のOSNCsが合成されました（図12d-f）。VTES量の増加に伴いOSNCsのサイズは徐々に増大し、その結果、異なる発光特性を示しました（図12g,h：UV光下で青、緑、赤）。OSNCsは優れた光安定性とpH安定性を持つことが確認されました。ダイヤモンド型立方晶構造におけるビニル基のエピタキシャル成長がπ-πスタッキングにより示されます。秩序正しくスタックしたビニル基が最終的に量子閉じ込めに従う大きなπ共役系を形成し、蛍光を発します。これらのOSNCsは、シリカの特性を備えた自己発光シリカ材料を得る新たなアプローチを提供し、光学分野での大きな可能性を秘めています。

OSNCsの特性評価：a-c TEM画像、d-f 高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）画像。g UV光照射下でのOSNCs試料の写真。h CIE色度図上の分布 [50]

逆マイクロエマルジョン法

Stöber法はLSNs合成の簡便な方法ですが、反応条件と初期粒子の制御不足が発光性色素に制約を課します。この制限を克服するため、BagweとKhilar[66]は銀-シリカナノコンポジットの合成時に水中油型マイクロエマルジョン系[67]を導入しました（図11b）。TEOSを含むアルカリ性水性銀ナノ粒子溶液が、界面活性剤に囲まれた水滴内に封入されました。TEOSの加水分解プロセスはStöber法と同じですが、全プロセスが界面活性剤で囲まれた水滴内に制限されるため、良好に制御された系と単分散シリカナノ粒子が得られます。界面活性剤、溶媒の選択、界面活性剤/水比の変更により、シリカサイズを適切に制御できます。蛍光体が水溶性の場合、水滴内の分子とともに均一なシリカ層を表面に形成しやすくなります。Nianfang Wangら[46]は逆マイクロエマルジョン法で発光性シリカ被覆CdS/CdSe/CdSナノ粒子を合成しました。図13に合成QDsとQDs@SiO₂のTEM画像を示します。保護されたQDsは優れた耐酸性と熱安定性を示し、特殊な応用要件を満たすための更なる修飾の可能性を提供しました。

CdS薄シェルを持つCdSe/CdSコア/シェルQDs（a）とシリカ被覆後CdSe/CdS@SiO₂（d）；CdSシェルを持つCdSe/CdSコア/シェルQDs（b）とシリカ被覆後CdSe/CdS@SiO₂（e）；CdS/CdSe/CdSコア/シェルQDs（c）とシリカ被覆後CdS/CdSe/CdS@SiO₂（f） [46]

直接ミセルアシスト法

逆マイクロエマルジョン法は水溶性発光色素を必要とします。逆に、直接ミセル法の主な特徴は脂溶性の初期ミセルであり、加水分解プロセスはミセル周辺で進行します（図11c）。シリカ凝集には前駆体が不可欠です。一般的なプロセスでは、発光色素をAPSなどのシラン結合剤で修飾し、アシストミセルを形成します。初期修飾ミセルにより、TEOS縮合がそれらの周囲で起こることを保証します。Rhodamine BをAPTESに共役させたものを初期ミセルとして、Kumarら[26]は油中水系でローダミン共役有機修飾シリカナノ粒子を合成し、スルフィド基、アミノ基、カルボニル基などの異なる官能基で修飾し、細胞蛍光プローブとして利用可能にしました。

界面活性剤の役割はシリカ合成だけでなく、メソポーラスシリカ合成にも反映されます。メソポーラスシリカ合成の一般的な方法は焼成です。大きな比表面積と修飾可能な表面を持つメソポーラスシリカナノ粒子は理想的なキャリアです。医療分野での薬物担持の既知の応用価値に加え、ホスフォア担持分野でも重要な応用展望があります。Li Wangら[68]は、優れた光化学安定性を持つ中空メソポーラスシリカマイクロスフェアとCDsを混合し、全範囲の酸素検出に利用可能としました。メソポーラス構造がそれらを独自のものにしています。Bin Xieら[69]は、膨潤蒸発法でCdSe/ZnSコアシェルQDsをメソポーラスシリカマイクロスフェアに組み込みました。修正Stöber法でGd₂O₃:Euホスフォア表面にメソポーラスシリカ層を被覆することも、Ali Aldalbahiら[70]により可能とされました。シリカ封入により、修飾Gd₂O₃:Euナノ粒子は優れた溶解性と生体適合性を示しました。

その他の方法

LSNs合成には、化学気相成長（CVD）[71]、水熱法[51]、アミノ酸触媒シード再成長法[72,73]など他の方法もあります。

Lianzhen Caoら[71]はCVDと熱アニーリングプロセスでSiC/SiO₂を合成しました。熱CVDでSiCコア上にSiを被覆し、酸化後にSiO₂シェルを得ました。アニールしたSiC/SiO₂ナノ粒子は青緑領域で狭い発光を示しました。この合成法はコアシェルナノ材料を得る新たな道を提供します。

Chandraら[51]は、四臭化ケイ素（SiBr₄）とAPTSを用いて、より小さな蛍光性シリカナノ粒子（1-2 nm）を合成しました。オートクレーブで200°Cに加熱することが反応の核心工程でした。透析と遠心分離を含む更なる精製後に最終製品を得ました。シリカナノ粒子は明るい青色発光を示し、光発光量子収率は約34%でした。同時に非光漂白性と生体適合性も備えていました。

表面修飾により、LSNsは複雑な応用に対してより調整可能になります[74]。前述の通り、シラン結合剤が最も一般的な化学的手法です。豊富なヒドロキシル基が更なる修飾の反応サイトを提供します。Junqiang Wangらは、ヒドロキシル基により高いガス応答を示すシリカ修飾CeO₂アンモニアセンサーを合成しました[75]。加水分解と縮合後、異なる官能基を持つシラン結合剤がシリカ表面に結合します。VTES（-CH=CH₂）の縮合により超撥水性シリカが合成されました[76]。Ming Maらは、APTSの-NH₂を基盤にRAFT重合でPEGMAとDMEAAを表面にグラフトしました[77]。表面修飾は複雑な環境での適応性を高め、適切な材料と組み合わせることで発光特性を向上させます。

これらの方法には、LSNsを作製する2つの主要な考え方があります。すなわち、シリカ源の加水分解開始時に発光性色素を反応系に直接添加するか、シラン結合剤などの他の試薬を介して発光性色素をシリカと化学結合させるか（シリカネットワーク形成前または形成後）です。特定の構造を持つLSNsを得るためには、適切な合成ルートを選択・設計することが必要です。

発光性シリカナノ粒子の応用

光は世界を認識するための最も直感的なツールです。特殊な発光を持つ発光性材料は、照明、ディスプレイなど多くの用途に直接利用できます。同時に、蛍光強度の変化が重要な情報を反映することもできます。単独の発光性色素と比較して、LSNsはシリカが発光性色素に安定したマトリックスを提供するため、応用において性能が向上しています。同時に、多機能化の効果的な方法も提供します[6]。多機能性と調整可能な表面を持つLSNsは、生物学、照明、センサーにおいて大きな応用展望と発展の可能性を秘めています。

バイオラベリングと医療

LSNsは生物学分野で大きな応用価値を持ちます。無毒性は医療分野、特に生体内応用における基本要件です[78]。一般的な発光性色素がしばしば毒性を持つことは、臨床応用を制限しています[79]。人気の無毒修飾材料であるシリカは、毒性排除の良い解決策となります。In-Yong Kimら[80]は、シリカナノ粒子（20-200 nm）の毒性を詳細に研究しました。サイズ、用量、細胞タイプ依存的な細胞毒性が課題となりました。高用量では細胞生存率が不釣り合いに低下しますが、60 nmのシリカナノスフェアは10 μg/mlまで良好な生体適合性を示しました。異なる細胞がシリカナノ粒子に対する耐性が異なることから、臨床試験前に実質的な試験が必要です。シリカ粒子の吸入は珪肺症などの急性・慢性疾患を引き起こす可能性があります[81]が、ナノスケールではシリカは依然として生物学的応用の可能性を秘めています。Yuhui Jinら[38]は、発光性シリカナノ粒子の生細胞への毒性を詳細に研究しました。DNAレベルから細胞レベルまで、RuBpyドープLSNsの毒性を慎重に試験しました。一定濃度では、色素ドープ発光性シリカナノ粒子が標的DNAと細胞に無毒性であることが示され、LSNsが無毒性修飾の良い解決策であることを示唆しています。Xiqi Zhangら[27]は、AIE色素（An18、9,10-ジスチリアントラセンからアルコキシ末端基で誘導体化）を一括修正Stöber法でシリカナノ粒子に封入しました。シリカ被覆により発光強度増強、良好な水溶性、生細胞への無毒性が得られ、An18-SiO₂ NPsが医療応用の可能性を持つことが示されました。

LSNsは診断とバイオラベリングで大きな応用価値を持ちます。ハイブリッドイメージング造影剤として、Dong Kee Yiら[48]は磁性粒子（MPs）Fe₂O₃とQDs（CdSe）を組み合わせ、逆マイクロエマルジョン法でシリカシェルに封入しました。MPsとQDsのナノ構造が図14に明確に示されています。磁気共鳴イメージング（MRI）は、特に癌検出において効果的な疾病検出法です。実用性、低コスト、正確な診断という利点により、診断ツールとしてより普及しています[7]。このナノコンポジットは光学造影剤とMRI造影剤の両方として機能します。CdSeの存在がγ-Fe₂O₃含有粒子の有効磁気異方性を増加させることは注目に値します。これは良い試みですが、低量子収率（SiO₂/MP-QD 1.1% 対 CdSe 11.4%）が実際の効果を制限しています。Willam J. Rieterら[39]も同様の多機能ナノコンポジットを合成しました。相違点は、発光コアとして[Ru(bpy)₃]Cl₂を選び、パラ磁性Gd錯体を水中油型逆マイクロエマルジョン法で発光コアに被覆し、最終的に同じ方法でシリカに埋め込んだ点です。図15の結果は、ハイブリッドシリカナノ粒子が生物イメージングで良好な光学的およびMRI性能を持つことを証明しました。Mengchao Shiら[32]は、ヨウロピウムドープメソポーラスシリカナノスフェア（Eu-MSN）を得ました。ナノスケールサイズ（280-300 nm）と蛍光特性は、理想的なバイオラベリング材料の基盤です。Eu-MSNsが骨形成と血管新生誘導に正の影響を与えることを見出しました。マクロファージの適切な応答と関連遺伝子発現を促進することで、骨欠損の新骨置換と皮膚創傷治癒プロセスをEu-MSNsで加速できます。バイオラベリング機能に加え、LSNsは組織修復の可能性を示しました。LSNsは特殊基を修飾することで標的結合効果を達成できます。Duarteの研究[33]では、オルガノシランBpy-SiをEu錯体の配位子として選び、シリカとの更なる反応に用いました。SiO₂-[Eu(TTA)₃(Bpy-Si)]ナノ粒子を均一サイズ（28±2 nm）で得ました。さらにアミノ酸スペーサーとアンカー基（抗大腸菌、IgG1）で修飾し、機能性シリカを大腸菌と特異的に結合させました。発光により大腸菌の分布を容易に把握できます。LSNsのバイオ多機能性はLaranjeiraら[82]によっても詳細に研究されました。独自の磁気特性を持つガドリニウム（Gd）コンポジットはMRI造影剤としての可能性を秘めますが、Gd³⁺イオンは人間、特に腎臓と膵臓に毒性があります。GdOHCO₃ナノ粒子をMRI造影コアとして選び、Stöber法でシリカ層を被覆しました。シリカ被覆により、Gdコンポジット（SiGdOHCO₃）は設計pH値（5.5、6.0、7.4）で劣化することなくMRI造影画像と同等の輝度を維持しました。また、細胞増殖アッセイによるとSiGdOHCO₃はヒト線維芽細胞にほとんど影響を与えず、優れた生体適合性を示しました。シリカはMRI性能に影響を与えず、GdOHCO₃により安定した環境と更なる修飾の可能性を提供します。多様なミセル法により、Atabaevら[83]はGd₂O₃:Tb³⁺,Eu³⁺@SiO₂ナノ粒子を合成し、生体内でMRI造影剤と蛍光剤の両方として使用可能としました。以上2例は、シリカプラットフォーム上でのLSNsの多機能性における役割を完璧に反映しています。

a SiO₂/MP-QDナノ粒子のTEM画像、b HRTEM画像 [48]

単球細胞のイメージング結果：a 光学顕微鏡、b レーザー走査共焦点蛍光、c、d MRイメージ：左が未ラベル単球細胞、右がハイブリッドシリカナノ粒子ラベル単球細胞、e ブランクとハイブリッドシリカナノ粒子ラベル単球細胞のフローサイトメトリー結果、f 異なる量のハイブリッドシリカナノ粒子での細胞生存率 [39]

LSNsは薬物送達において大きな応用価値を持ちます。Hongmin Chenは、標的モチーフでバイオ機能化した発光性メソポーラスシリカナノ粒子を合成し、薬物送達への応用を可能にしました[47]。まずAPS含有メソポーラスシリカ粒子を調製し、400°Cで2時間焼成しました。セチルトリメチルアンモニウムブロミド（CTAB）の助けを借りてメソポーラスシリカを合成しました。焼成後、シリカマトリックス内に発光性カーボンドットが存在しました。380 nm励起時に蛍光強度が最大となりました。APSの助けを借りてRGDペプチドで表面修飾することで、FL-SiO₂の標的選択性を達成しました。また、RGD-FL-SiO₂によるドキソルビシン（Dox）の担持と放出を研究しました。焼成後も多孔質構造は影響を受けず、蛍光性メソポーラスシリカ（FL-SiO₂）は依然として効果的にDoxを担持できました。生体内イメージング研究では、RGD-FL-SiO₂が特に腫瘍周辺の血管周辺で良好な発光効果を示しました。腫瘍のインテグリンαᵥβ₃が相互作用の鍵でした。LSNsを医療に応用しようとする優れた試みは多数ありますが、ヒトでの成功した臨床試験が少ないことは、実際の医療応用までにはまだ長い道のりがあることを意味します。

発光デバイス

特殊な発光特性により、LSNsはフィールドエミッション型および液晶ベースのディスプレイ技術[84]を含む発光分野でも重要な役割を果たします。WLEDは一般照明とディスプレイへの広範な応用で近年注目されています。調整可能な色、高い色純度、発光効率はLEDの要件に合致します[85]。量子ドットベース発光ダイオード（QD-LED）が最近実証され、色純度、安定性、製造コストの面で従来のLEDや有機EL（OLED）技術より多くの利点を提供しつつ、同等の効率を達成する可能性があります。ポリマードット（Pdots）をWLEDホスフォアとして性能向上させるため、Kaiwen Changら[49]は異なる発光波長を持ついくつかのPdotsをStöber系に導入し、封入しました。シリカ封入Pdotsは同等の発光特性を示しつつ、光安定性が著しく向上しました。

フルカラーディスプレイ実現に必要な製造複雑性を低減するため、共通デバイス構造で3原色（青、緑、赤）の高効率化を図ることが望まれます。QDsは高発光強度、狭い発光スペクトル、調整可能な発光など独自の発光特性によりディスプレイ分野で広く用いられています。Chun Sunら[34]は、ペロブスカイトQDsであるCsPbBr₃をWLEDの発光コアとして合成しました。単独のペロブスカイトQDsでは、長時間動作と高温下での光安定性と安定性が光デバイスに必要なため不十分です。異なるハライドQDナノ粒子間でアニオン交換反応が起こり、狭い発光スペクトルが広がります。QD/シリカコンポジットをAPSで作製し、酸化と分解を防ぎました。APTESをQDsのキャッピング剤として用い、シリカ被覆プロセスを改良してQDsの分解を防ぎました。緑色と赤色のQD/シリカコンポジットを合成し、青色LEDチップと組み合わせてWLEDを得ました。このWLEDは図16に示すように優れた大気安定性を備え、良好な性能を発揮しました。

WLEDの光学的性能：a 発光スペクトル、b CIE色座標とWLEDの色三角形（赤破線）とNTSCテレビ標準（黒破線）、c 電力効率、d 動作後の発光スペクトル [34]

LSNsはQDsの良好な分散性、輝度、光安定性を維持できます。Hung-Chia Wangら[35]はQDsとシリカの新しいコンポジット法を提案しました（図17）。QDsより大きな細孔サイズを持つメソポーラスシリカ粉末を非極性溶液でQDsと混合し、洗浄乾燥後にメソポーラスシリカ緑色PQDナノコンポジットを得ました。シリカとコンポジット化後、QDsはより優れた熱安定性と光安定性を示しました。一方、QDsは典型的な凝集誘起消光（ACQ）ナノ粒子であり、良好な分散を保つことが高輝度と光安定性を得るために必要です。Kai Jiangら[86]は、フェニレンジアミンを前駆体として赤、緑、青発光のカーボンドットを合成し、溶液とポリ(ビニルアルコール)（PVA）膜で発光特性を向上させました。しかし、固体状態のCDsでは凝集とそれによるFörster共鳴エネルギー移動（FRET）により消光効果が生じ、LEDデバイスにとって致命的でした。分散とそれによるFRET現象を避けるため、Junli Wangら[36]はカーボンドットをシリカマトリックスに埋め込みました（図18）。カーボンドットをN-(3-(トリメトキシシリル)プロピル)エチレンジアミン（KH-792）に分散させ、加熱して均質なCD/シリカ膜を形成しました。白色LEDは、CD/シリカ溶液を内壁に乾燥させて作製しました。シリカの助けにより、CDsは適切な距離で良好に分散し、消光なしで粉末としての性能が向上しました。図18に発光スペクトルとWLEDでの性能を示します。CIE座標（0.44, 0.42）と相関色温度（CCT）（2951 K）は、屋内照明に適していることを示唆しています。

a MP-CsPbBr₃PQDsの形成過程。b 発光強度とWLEDの色三角形 [35]

WLEDの性能：a 発光スペクトル、b CIE色度とCCT [36]

センサー

発光性シリカは、バイオラベリングやWLEDホスフォアなどの静的発光材料で優れた性能を示します。これらはすべて、独自の安定した光学的特性に基づいています。動的発光材料の場合も、LSNsは同様に優れています[9]。pH[28]、イオン[87]、温度[40]の発光センサーを代表例として以下に示します。

pH値は発光強度に大きな影響を与えるため、発光性pHセンサーの着想を得ます。参考文献[22]と同じ原理で、Atabaevらは同じ比率型pHセンサーを合成しました[28]。FITCをpH依存性発光色素とし、Y₂O₃:Eu³⁺をpH安定性色素として選びました。シリカのStöber被覆により、Y₂O₃:Eu³⁺@SiO₂とFITCの複合NPsを合成しました。pH変化は蛍光強度比（I_FITC/I_Y₂O₃:Eu³⁺）で反映されます。基準色素により濃度の影響が小さく、より正確な結果が得られます。

LSNsはイオンセンサーとしても利用可能です。発光強度が測定物理量に応じて変化する原理に基づき、LSNsは発光の環境依存性効果により多くのセンサー分野に応用されています。消光効果は、FRETや光誘起電子移動（PET）などの外部消光メカニズムにより、イオンやpH値などの消光因子の変化を検出する効果的なツールです[9]。金属イオンセンサーは、細胞内でも開放系でも重要な分野です。Won Choら[37]はヨウロピウム(III)配位ポリマー（EuCP）を合成し、Cu²⁺の特異的な消光効果を見出しました（図19）。この事実に基づき、シリカ@EuCPマイクロスフェアを合成し、より少ないヨウロピウム量でCu²⁺に対する同等の感度を実現しました。補助材料としてシリカはセンサー材料の量を効果的に削減できます。両者はそれぞれ独自の状況を持っています。消光効果以外にも、センサー分野で利用可能な異なる効果があります。2,2-ジピコリルアミン（DPA）とその誘導体は重金属イオンに良好な親和性を持ちます。重金属イオンとキレート形成後、発光増強効果が生じます。Yu Dingら[29]は、シリカ球をN,N'-ビス(ピリジン-2-イルメチル)エタン-1,2-ジアミンで修飾しました（図20）。試料中の重金属イオン濃度（Cd²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺）を蛍光強度変化で決定できます。実水試料と模擬生物試料での試験により、重金属イオン結合能力と検出が確認され、水質監視などへの応用展望があります。

a シリカ@EuCPマイクロスフェアの共焦点顕微鏡とOM（インセット）画像。b 異なるCu(NO₃)₂濃度でのMeCN中の発光スペクトル；異なる金属イオン溶液（5 mM）での発光強度変化（c）と写真（d） [37]

感度蛍光センサー（FSCHP）の形成と検知プロセススキーム [29]

温度センサーもLSNsの重要な応用です。温度はほとんどの科学分野における基本変数です。放射的・非放射的遷移率の温度依存性が温度センシングの核心であり、非接触・大面積という利点で発光温度センシングを可能にします[9]。しかし、実用応用には安定性が不可欠です。応用環境は実験条件より複雑だからです。シリカは実用性能向上の理想的なマトリックスです。Mirendaら[40]はシリカをコアとし、TEOSをRu(bpy)₃Cl₂と加水分解してRu(bpy)₃@SiO₂ NPsを形成しました。Ru(bpy)₃@SiO₂ NPsの発光スペクトル（図21）は、温度上昇に伴い強度が直線的に減少することを示しました（20-60°C、λ_exc=463 nm）。これは活性化された非放射的³d-d状態によるものです。Ru(bpy)₃@SiO₂ NPsで修飾したポリエチレンイミン（PEI）ガラスもNPsと同じ傾向を示し、温度センシング材料としての可能性を証明しました。20-60°C間で温度をサイクリングすると、相対傾斜が7サイクル目まで低下し、安定したセンシング材料を得るには調整が必要であることを意味します。プローブへの温度影響は複雑です。プローブの温度依存性発光を研究し、温度センサーへの応用方法を知る必要があります。温度は生物細胞のライフサイクルにおける多様な細胞内化学・物理相互作用を支配する基本変数です。温度変化は細胞代謝レベルを反映します。Er³⁺（1 mol%）とYb³⁺（1 mol%）を共ドープしたGdVO₄は温度センサーとしての可能性を持ちます。温度センサーとしての性能向上のため、Savchukら[41]はStöber法でナノ粒子表面にシリカシェルを被覆しました。Er, Yb:GdVO₄の蛍光強度比（FIR）、I₅₂₀/I₅₅₀は、980 nm励起後、297-343 Kの範囲で温度と一定の直線関係を示しました。プローブは熱感度向上、高い熱分解能、さまざまな溶媒での良好な安定性を獲得しました。特別なセンサーを用いた生体外実験で温度変化を監視した結果（図22）は、Er, Yb:GdVO₄@SiO₂コアシェルナノ粒子が生物医学応用における温度センサーとして優れた熱分解能を持つことを証明しました。

a 異なる温度下でのRu(bpy)₃@SiO₂のPLスペクトル。b ピーク強度の温度依存性 [40]

a Er, Yb:GdVO₄とEr, Yb:GdVO₄@SiO₂の異なる温度でのI₅₂₀/I₅₅₀。b 生体外温度測定実験のスケッチマップ。c Er, Yb:GdVO₄@SiO₂とサーミスタPt-100の時間的温度変化結果 [41]

結論

本稿では、多機能LSNsがシリカが発光性色素の理想的なホスト材料であることを示しました。関連パラメータの可視化が発光性色素の最も特徴的な特徴です。さまざまな発光性材料はそれぞれ利点を持ちますが、応用を制限する欠点も残っています。シリカの保護により、輝度向上、光安定性、熱安定性がLSNsの利点となります。同時に、ホスフォアに多機能で特殊修飾可能な汎用プラットフォームを提供します。優れた性能、調整可能な適応性、潜在的な汎用性が発光性材料の応用を広げます。LSNsは太陽電池や光触媒など未言及の多くの分野で大きな可能性を秘めています。しかし、実際の生物種への応用にはまだ長い道のりがあります。複雑な条件下での選択性の低さと信号対雑音比の低さが、LSNsの実用応用を制約する要因であり、更なる研究が必要です。ホスフォアとLSPR金属間の明確な距離制御は、正の効果を得るためにより多くの調査に値します。優れた発光特性を持つ多くの新しい発光性材料が開発されており、従来の合成法を改良してLSNsを得る必要があります。シリカは伝統的な修飾材料ですが、LSNsは依然として大きな発展可能性を秘めています。