アスコルビン酸とフェニレンジアミンから作製した多色発光Nドープカーボンドット：溶媒極性とpHによる発光制御

概要

本研究では、アスコルビン酸とo-/m-/p-フェニレンジアミン（o-PDA、m-PDA、p-PDA）から、緑色、青色、オレンジ色発光するNドープカーボンドット（CDs）を合成した。合成されたCDsの光発光（PL）特性に及ぼす溶媒極性と溶液pHの影響を体系的に調査した。溶媒極性が高まるにつれて、凝集が促進されるためPL発光強度が低下することがわかった。また、CDsの表面電荷がpH依存的なPL発光特性に顕著な影響を与えることも明らかになった。

はじめに

近年、蛍光カーボンドット（CDs）は、高量子収率、低毒性、優れた生体適合性、容易な調製法により大きな注目を集めている[1-4]。CDsはセンシング、ディスプレイ、バイオイメージングなど幅広い用途に利用できる。しかし、ほとんどのCDsは青色または緑色領域で発光するため、生体組織イメージングへの応用が制限される。これは、深い光透過が必要であり、自己蛍光や背景光散乱の除去が課題となるためである。したがって、より長い波長で発光するCDsの合成が重要になっている。この点で、合成危険性と重要な分離工程を排除できる、グリーンケミストリーによる多色発光CDsの合成が求められている[5]。

窒素（N）、ホウ素（B）、硫黄（S）などのヘテロ原子でCDsの表面を修飾・ドープすることで、蛍光特性を制御できる。そのために、ヘテロ原子官能基を持つ有機/無機分子を、炭素源との共前駆体または前駆体として用いる[6-8]。アミノ基（–NH₂）を持つフェニレンジアミン異性体[o-フェニレンジアミン（o-PDA）、m-フェニレンジアミン（m-PDA）、p-フェニレンジアミン（p-PDA）]は、NドープCDs合成のための効率的なヘテロ原子源であることが証明されている[3,9,10]。

本研究では、アスコルビン酸（AA）と個々のm-PDA、o-PDA、p-PDAを水熱処理することで、それぞれ緑色、青色、オレンジ色発光するNドープCDs（Am-, Ao-, Ap-CDs）を合成することに成功した。反応条件、溶媒、溶液pHが各タイプのCDsの蛍光特性に及ぼす影響を体系的に調査した。特に、アスコルビン酸とm-PDAから合成された緑色発光CDsは、エタノール溶媒中で非常に高い量子収率（QY）を示した。

実験方法

Am-, Ao-, Ap-CDsの合成

Am-CDsを調製するには、アスコルビン酸（0.1M、0.8mL）とm-フェニレンジアミン（0.1M、0.8mL）（AA:m-PDA比＝1:1）を10.4mLの脱イオン水に加え、5分間攪拌した。その後、混合物を50mLのテフロンライニング付きオートクレーブに移し、オーブンで160℃、6時間加熱反応させた。室温（RT）まで冷却後、10,000rpm、20分間の遠心分離で懸濁粒子を除去し、さらに透析チューブで6時間精製して残留化学物質を除去した。得られたAm-CDs溶液を4℃で保存し、後続の評価に供した。

Ao-CDsとAp-CDsは、前駆体比を除きAm-CDsと同じ手順で調製した。Ao-CDsではアスコルビン酸（0.1M、1.2mL）とo-フェニレンジアミン（0.1M、0.8mL）（AA:o-PDA比＝3:2）、Ap-CDsではアスコルビン酸（0.1M、0.8mL）とp-フェニレンジアミン（0.1M、0.4mL）（AA:p-PDA比＝2:1）を用いた。

追加ファイル1：図S1は、各CDsの最高蛍光を得るために反応温度と前駆体比を最適化したことを示す。

図1は、合成されたCDsの発光強度と波長が前駆体物質とは全く異なることを示す。全体的な比較は追加ファイル1：表S1にまとめている。興味深いことに、シアンと青色発光するAAとm-PDAから緑色発光Am-CDsが、シアンと黄色発光するAAとo-PDAから青色発光Ao-CDsが得られ、AAとPDAsの反応により新しい共役構造が形成されることを示唆している。

a 蛍光スペクトル、b 正規化蛍光スペクトル。インセット：自然光下（左）とUV照射下（λ_ex=365nm、右）でのAm-CDs、Ao-CDs、Ap-CDs水分散液の写真

量子収率測定

Am-, Ao-, Ap-CDsの量子収率（QY）は、室温で各CDsの発光に合う色素を基準として、よく知られた相対傾斜法により求めた[9]。Am-CDs（励起波長450nm）にはエタノール中のローダミン101（QY=100%）、Ao-CDs（励起波長360nm）には0.1M硫酸中のキニーネ硫酸塩（QS、QY=54%）、Ap-CDs（励起波長514nm）には水中のローダミンB（QY=31%）を基準とした。

サンプルと基準の積分PL強度をいくつかの濃度で吸光度に対してプロットし、傾斜を求めて比較した。QYは以下の式で計算した：

$$\Phi_{{\text{s}}} = \Phi_{{\text{r}}} *\frac{{K_{{\text{s}}} }}{{K_{{\text{r}}} }}*\frac{{\eta_{{\text{s}}} }}{{\eta_{{\text{r}}} }}$$ (1)

ここでΦは相対量子収率、Kはフィッティング直線の傾斜、ηは溶媒の屈折率。添え字「r」は基準、「s」はサンプルを指す。水とエタノールの屈折率はそれぞれ1.33、1.36である。

結果と考察

合成されたCDsの特性評価

Ax-CDs（x=m, o, p）の形態とサイズをTEM画像から解析した。図2、3、4より、Am-, Ao-, Ap-CDsの平均直径はそれぞれ3.39nm、3.65nm、4.45nmであった。HR-TEM画像から解析した面間隔はそれぞれ0.23nm、0.21nm、0.35nmで、グラファイト炭素の(100)面と(002)面に対応する[11]。

a Am-CDsのTEM像、b 粒子径分布ヒストグラム、c HR-TEM像

a Ao-CDsのTEM像、b 粒子径分布ヒストグラム、c HR-TEM像

a Ap-CDsのTEM像、b 粒子径分布ヒストグラム、c HR-TEM像

XRDでAx-CDsの結晶構造を調べた。図5aに示すように、3種類のCDsとも2θ=21°〜23°付近に幅広い単一回折ピークを示し、グラファイト炭素構造に由来する[3,12]。

a XRDパターン、b FTIRスペクトル

FT-IRスペクトルでAx-CDsの化学結合と表面官能基を分析した。図5bに、~3460cm⁻¹と~3313〜3353cm⁻¹のピークがそれぞれO–HとN–Hの伸縮振動に起因することを示す。これらの親水性基は水素結合形成により極性溶媒中でのCDs溶解性を向上させる[13,14]。~1070、~2877、~2964cm⁻¹のピークはC–H伸縮振動に帰属する[8]。~1633cm⁻¹の強いピークはアミド基のC=O伸縮振動に起因し、AAのカルボン酸とPDAsのアミンとのアミド化反応を確認する[15]。~1520cm⁻¹のピークはC=C曲げ振動に由来する[16]。また、~1361cm⁻¹のピークはC–N伸縮振動に帰属し、合成CDsに窒素原子が存在することを確認する[10]。3種類のCDsのFT-IRスペクトルがほぼ同一であることは、PDA異性体中のアミノ基位置に関わらず、同様の化学結合と官能基がCDs表面に存在することを示す。

XPSでAx-CDsの元素組成と官能基を分析した。図6aのAm-CDsサーベイスペクトルは、C、O、N原子の存在を示す。追加ファイル1：図S2、S3および表1にまとめられるように、3種類のCDsは類似した元素組成を持つ。XPS解析はまた、3種類のCDsで類似した酸化状態と官能基を示す。図6、追加ファイル1：図S2、S3の高分解能C1s XPSスペクトルでは、炭素が~284.0、~285.2、~286.9、~290.1eVのピークに脱畳み込みでき、それぞれC=C、C–C、C–O、N–C=O基に対応する。高分解能O1sスペクトルは~531.8eVと~532.8eVのピークに脱畳み込みでき、それぞれC=OとC–O基に対応する[17]。N1sスペクトルは、~399.0、~400.0、~401.4eVにN–H、C–N–C、グラファイト様N基の存在を示す[18]。

a Am-CDsのXPSサーベイスペクトル。高分解能b C1s、c O1s、d N1s XPSスペクトル

Ax-CDsの光学特性

UV-Vis吸収スペクトルとPLスペクトルでAx-CDsの光学特性を調べた。図7にAx-CDsのUV-Vis吸収、光発光励起（PLE）、PLスペクトルを示す。Am-CDsのUV-Vis吸収には289nmと400nmに2つの吸収ピークが見られ、それぞれC=C構造のπ–π*遷移とC=O基のn–π*遷移に対応する[15]。Ao-CDsとAp-CDsもUV-Visスペクトルに2つのピークを示すが、ピーク位置と強度は異なる（図7c、e）。この差は電子遷移の程度の違いに起因する可能性がある。さらに、Ap-CDsには~510nmに追加の幅広い吸収ピークが見られ、これは表面吸収と続くPL励起に起因する[19]。したがって、PLEとPLスペクトルは3種類すべてで異なる。Am-CDsは450nm励起で521nm（緑色領域）に発光する。Ao-CDsとAp-CDsはそれぞれ360nmと580nmに励起ピークを持ち、432nm（青色領域）と596nm（オレンジ色領域）に発光する。

正規化UV-Vis吸収スペクトル、PL励起、PL発光スペクトル：a Am-CDs、c Ao-CDs、e Ap-CDs。異なる励起波長での正規化PL発光スペクトル：b Am-CDs、d Ao-CDs、f Ap-CDs

図7b、d、fより、Am-とAo-CDsは励起波長依存性発光を示すが、Ap-CDsは励起波長非依存性発光を示す。励起波長依存性PL発光は、CDsの非均一なサイズ、さまざまな表面欠陥、さまざまな表面官能基の存在に起因する可能性がある[20,21]。Ap-CDsの励起波長非依存性発光は均一な発光状態を示し、狭い発光幅をもたらす。Ax-CDs間の異なる励起波長関連PL特性は、異なるエネルギー状態と形態を意味する[22,23]。

溶媒効果と量子収率

脱イオン水（H₂O）、メタノール（MeOH）、エタノール（EtOH）、イソプロピルアルコール（IPA）、アセトン（ACE）、アセトニトリル（ACN）、N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）、ジメチルスルホキシド（DMSO）がAx-CDsのPL発光特性に及ぼす影響を調査した。追加ファイル1：図S4に、溶媒によりPL発光波長が変化することを示す。これは、CDs表面官能基と溶媒の相互作用による典型的な溶媒クロミズム特性である[21,24]。

追加ファイル1：図S5に、Am-CDsが3種類中最高QYを示すことを示す。また、Ax-CDsは水よりもエタノール溶媒中で高いQYを示す。これは（1）高極性溶媒中でのCDs凝集度の増大、（2）高極性溶媒とCDsの相互作用による非放射遷移率の増加、（3）水による形態変化[25]で説明できる。

Ax-CDsの蛍光発光に及ぼすpH効果

調製したAm-, Ao-, Ap-CDsのPL発光強度を様々なpH条件下で監視した。図8に示すように、Am-とAo-CDsは溶液pH変化に対して類似したPL発光挙動を示す。pH上昇に伴うPL発光低下は、Am-とAo-CDs表面官能基の脱プロトン化によるCDs凝集に起因する[26-29]。

様々なpH条件下でのa,b Am-CDs、c,d Ao-CDs、e,f Ap-CDsのPL発光と強度変化

一方、Ap-CDsでは溶液pH上昇に伴いPL強度が増加する。この現象は、Ap-CDsの表面電荷が他のCDsと異なることに起因する。

Ax-CDs間の異なるpH依存性挙動を調べるため、様々なpH値でゼータ電位を測定した。図9に示すように、Am-とAo-CDsのゼータ電位はpH上昇とともに徐々に低下するが、Ap-CDsのゼータ電位はpH上昇とともに増加する。これにより凝集が抑制され、Ap-CDsのPL強度が増強される[30,31]。

様々なpH値でのゼータ電位：a Am-CDs、b Ao-CDs、c Ap-CDs

結論

本研究では、アスコルビン酸（AA）とm-PDA、o-PDA、p-PDAの反応により、緑色、青色、オレンジ色発光するNドープCDsを合成することに成功した。簡便な低温水熱合成法を用いた。3種類のCDsの光物理的・光学的特性を、異なる溶媒とpHで詳細に調査した。合成されたAx-CDsは、水よりもエタノールで高いQYを示した。凝集の減少、非放射遷移率の低下、形態変化の抑制がその理由と考えられる。また、合成Ax-CDsの表面電荷により、異なるpH依存的PL発光特性が生じる。これらの独自の特性により、合成CDsはイメージングとセンシングの様々な分野で応用可能となる。

データおよび資料の入手可能性

本研究で生成・分析されたすべてのデータは、本記事および補足情報ファイルに含まれています。

略語

CDs:

カーボンドット

AA:

アスコルビン酸

m-PDA:

m-フェニレンジアミン

o-PDA:

o-フェニレンジアミン

p-PDA:

p-フェニレンジアミン

Ax-CDs:

x=m, o, p

QY:

量子収率

SI:

補足情報

RT:

室温

QS:

キニーネ硫酸塩

PLE:

光発光励起

H₂O:

脱イオン水

MeOH:

メタノール

EtOH:

エタノール

IPA:

イソプロピルアルコール

ACE:

アセトン

ACN:

アセトニトリル

DMF:

N,N-ジメチルホルムアミド

DMSO:

ジメチルスルホキシド

HR-TEM:

高分解能透過型電子顕微鏡

FT-IR:

フーリエ変換赤外分光法

XRD:

X線回折

XPS:

X線光電子分光法