光誘起電子移動を利用した蛍光性水センサー色素の開発

光誘起電子移動を利用した
蛍光性水センサー色素の開発
広島大学
大学院工学研究科
応用化学専攻
助教大山陽介
教授
播磨裕
1
研究背景
有機溶剤、食品、医薬・化粧品をはじめと
する各種の液体や固体材料、および大気
中に含まれる微量水分を検出できる蛍光
性水センサー色素の開発は、生物工学、
工業製品や食品の品質管理、環境モニタ
リングなどの自然環境や人間生活の面で
非常に重要である。
2
有機溶媒中の水分量測定法
カールフィッシャー法
・高精度
・バッチ分析法
カールフィッシャー反応に要した電気量から水分量を求める。
水1 mg = 10.71クーロン
I2 + SO2 + 3Base + ROH + H2O ⇒ 2Base・HI + Base・HSO4R ・・・・・・・（1）
2I- − 2e ⇒ I2 ・・・・・・・（2）
蛍光法
・蛍光測定を使用 → 高感度
・リアルタイムで測定可能
3
新技術の基となる研究成果・技術
光誘起電子移動(Photo-induced Electron Transfer)
ehν
電子供与
部
N
Spacer
蛍光母体
+M n+
Cation +
M
N
hν
M n+ = H +, Na+, Ag+, Ca2+ , Hg2+
LUMO
LUMO
hν
HOMO
HOMO
hν
HOMO
電子供与部
蛍光母体
(光励起状態)
(アミノ基等)
蛍光母体
HOMO
(光励起状態) カチオンが付加した
電子供与部
4
新技術の概要
PETを利用した蛍光性水センサーの開発
アミノ酸構造
‐
O
OH
O
O
+
N
+ H2O
PET活性(蛍光性なし)
NH
双性イオン構造
PET不活性(強い蛍光性)
有機溶媒中の水分の検出
吸収スペクトル、蛍光スペクトル
5
800
Fluorescence Intensity
Fluorescence Intensity
800
pH 3.4
pH 6.9
pH 11.0
600
400
200
0
400
440
480
消光
200
2
4
6
8
10
−
OH
−
O
中性
+
O
+
NH
NH
PET不活性
12
pH
色素水溶液のpHを変化させたときの
蛍光強度の変化
pHによる蛍光スペクトルの違い
O
400
0
520
Wavelength/nm
酸性
600
O
塩基性
O
N
PET活性
6
Et
O
O
O
O
H+
水を加えてもプロトン
の解離が起きない
N
Et
N
500
Fluorescence Intensity
Fluorescence Intensity
エステル体
1,4-dioxane
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
H2O/wt%
水分量が増加しても消光したまま
25
500
1,4-dioxane
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
Acetic acid/wt%
酸を加えると蛍光強度が大きくなる
7
吸収スペクトル
0.2
Absorbance
1,4-dioxane
0.024 wt%
0.27 wt%
0.46 wt%
0.65 wt%
0.84 wt%
1.0 wt%
5.1wt%
10 wt%
20 wt%
40 wt%
59 wt%
81 wt%
100 wt%
0.15
0.1
0.05
350
400
Fluorescence Intensity
1000
0.25
0
300
蛍光スペクトル
800
600
400
200
0
450
0.024 wt%
0.27 wt%
0.46 wt%
0.65 wt%
0.84 wt%
1.0 wt%
5.1wt%
10 wt%
20 wt%
40 wt%
59 wt%
81 wt%
100 wt%
400
Wavelength/nm
520
0.15
0.1
0.05
350
400
Wavelength/nm
450
Fluorescence Intensity
1000
0.045 wt%
0.28 wt%
0.47 wt%
0.63 wt%
0.83 wt%
1.0 wt%
4.8 wt%
9.7 wt%
20 wt%
40 wt%
61 wt%
81 wt%
100 wt%
0.2
Absorbance
acetonitrile
480
Wavelength/nm
0.25
0
300
440
0.045 wt%
0.28 wt%
0.47 wt%
0.63 wt%
0.83 wt%
1.0 wt%
4.8 wt%
9.7 wt%
20 wt%
40 wt%
61 wt%
81 wt%
100 wt%
800
600
400
200
0
400
440
480
520
Wavelength/nm
8
水分量増加に伴う蛍光強度の変化
1000
1000
acetonitrile
Fluorescence Intensity
Fluorescence Intensity
1,4-dioxane
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80
800
600
400
200
0
100
0
20
H2O/wt%
800
600
400
200
0
20
80
100
80
100
ethanol
Fluorescence Intensity
Fluorescence Intensity
THF
0
60
H2O/wt%
1000
1000
40
40
60
H2O/wt%
80
100
800
600
400
200
0
0
20
40
60
H2O/wt%
9
Fluorescence Intensity
250
200
150
1,4-dioxane
THF
Acetonitrile
Ethanol
100
50
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
H2O/wt%
低水分量領域の蛍光強度変化の様子
10
溶媒極性と蛍光強度の関係
Fluorescence intensity
1000
Organic solvent
Water
Acetic acid
800
1. 1.4-dioxane
2. THF
3. Ethyl acetate
600
4. DMSO
5. Acetonitrile
400
8
6. 2-Buthanol
7
200
7. Ethanol
5
8. Methanol
6
1 2 3
0
35
4
40
45
50
55
60
65
Solvent polarity
溶媒の種類によってプロトン解離の程度が異なる
11
比誘電率と蛍光強度の関係
Fluorescence intensity
1000
800
600
400
200
0
1,4-dioxane
acetonitrile
0
20
40
60
80
Relative permittivity
12
比誘電率と蛍光強度の関係
Fluorescence intensity
1000
800
600
400
1,4-Dioxane
Acetonitrile
THF
Ethanol
200
0
0
20
40
60
80
100
Relative permittivity
13
有機溶媒/H2O混合溶媒の水分量と比誘電率の関係
100
Relative permittivity
1,4-dioxane
acetonitrile
80
H
H J
H
J
H
60
40
HH
H
H
H
H
H
H
JH
OH
O
J
N
J
J
J
20
J
J
0 J
0
J
20
40
60
80
100
H2O/wt%
14
各溶媒を用いたときの検出限界(DL)、定量限界(QL)
水分量1%以下の検量線から検出限界(DL)、定量限界(QL)を求めた。
DL = 3.3σ / slope
QL = 10σ / slope
ただし σ = ブランクの標準偏差
slope = 検量線の傾き
Wt%
1,4-Dioxane
Acetonitrile
THF
Ethanol
Wt%
検出限界DL 定量限界QL
0.1
0.3
0.001
0.004
0.1
0.4
0.001
0.002
15
従来技術とその問題点
従来の蛍光性色素では、蛍光強度は試
料中に含まれる水分以外の極性物質に
強く影響を受けるため正確な水分量を
検出することが困難であった。⇒ 極性
溶媒(媒体)中では使用できない。
16
従来の蛍光性水センサー：水
分量が増加(極性が増加)する
と蛍光強度が減少する。
蛍光強度
⇒蛍光強度は、試料中に含ま
れる水分以外の極性成分に強
く影響されるため、試料中の正
確な水分量を検出することが
非常に困難。
水分含有量の増加に
伴って蛍光強度が減少
400
蛍光強度の減少
蛍光性
蛍光性色素
波長/nm
700
Water
(H2O)
H2O H2O H2O
H2O
H2O
(試料の)極性小
従来の蛍光性水センサー
蛍光性色素
H2O H O H2O
2
H2O
H2O
(試料の)極性大
極性溶媒(媒体)中では使用できない。
17
新技術の特徴・従来技術との比較
• 本発明のPET型蛍光性色素の蛍光強度は試
料の極性にあまり影響されない。
• 理論的に、水１分子に対して蛍光性の双生イ
オンを一個形成するために定性・定量性に優
れている。
• PET型蛍光性色素をフィルム化することも可
能である（直接ポリマー化・ポリマーに分散な
ど）。
18
想定される用途
• 有機溶剤や大気中の水分検出、食品や製品
中の水分検出剤
• 除湿剤（保湿剤）
• 医療、医薬、化粧品や衛生材料
• トンネル用セグメントや下水道用ヒューム管
の漏水検出シーリング材料（土木・建築関
連）
• 農園芸用フィルムとしての応用
19
想定される業界
• 利用者・対象
食品、精密機械、製造メーカー
医療、医薬、化粧品、衛生材料研究所およびメーカー
土木、農園芸関連
フィルム関連
20
実用化に向けた課題
• アセトニトリル中における水分量の検出限界と
定量限界は、それぞれ0.001wt%と0.004wt%
である。しかし、溶媒の極性(媒体)によって検
出限界と定量限界が異なる。
• 分子設計（蛍光発光母体やプロトン供与性基)
を工夫することで、より実用的な水センサーの
開発が期待できる。
• フィルムへの分散性の改善、ポリマー化(フィルム
化)。
21
企業への期待
• フィルムへの分散性の改善、ポリマー化(フィ
ルム化)。
• 医療、医薬、化粧品、衛生材料への展開。
• 微量水分検出センサーの開発。
22
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称：蛍光性化合物およびこれを
用いた水分検出法
• 出願番号：特願2009-249484
• 出願人
：広島大学
• 発明者
：大山陽介、播磨裕
23
お問い合わせ先
広島大学産学連携センター
産学連携部門コーディネーター榧木高男
ＴＥＬ 082−421−3704
ＦＡＸ
082−421−3788
e-mail kayaki＠hiroshima-u.ａｃ.ｊｐ
24

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