宮内雄平 エネルギー理工学研究所准教授、松田一成 同教授らの研究グループは、近赤外波長領域の優れた発光体として知られ、生体組織内部の発光イメージングや生体埋込型光バイオセンサー等への応用が期待されているナノ炭素材料「カーボンナノチューブ」を、従来とは全く異なる新しい方法で光らせることが出来ることを発見しました。
本研究成果は、2015年11月16日に英国科学誌「Nature Communications」誌のウェブサイトに掲載されました。
研究者からのコメント
宫内准教授
今回の発见は、これまで谁も予想すらしていなかったカーボンナノチューブの新奇な光机能が明らかになったという基础科学的な意义を持つと同时に、カーボンナノチューブを用いた生体内部の発光イメージングや生体埋込型光バイオセンサーが、これまでよりも身近に、広く利用できるようになることに繋がるものと期待しています。
概要
物质に光を照射すると、照射した光とは异なる波长の光（蛍光）が放出されることがあります。一般的な蛍光物质では、蛍光の波长は、照射した光の波长よりも长いことが「ストークスの法则」と呼ばれる経験则として知られています。今回研究グループは、カーボンナノチューブにおいて、「アップコンバージョン発光」と呼ばれる、ストークスの法则に従わない珍しい蛍光発光现象が生じることを世界で初めて见いだしました。今回の研究では、直径0.8ナノメートル程度のカーボンナノチューブに1100ナノメートルから1200ナノメートル程度の波长の近赤外光を照射すると、波长が100ナノメートルから200ナノメートル程度短くなった950ナノメートルから1000ナノメートル程度の蛍光が得られることが分かりました。研究グループは、ナノチューブに特有のユニークなアップコンバージョン発光メカニズムも突き止めています。
従来、ナノチューブの蛍光を用いた生体内部のイメージングには、直径1ナノメートル程度のカーボンナノチューブから放出される波长1100ナノメートルから1400ナノメートル程度の通常の（ストークスの法则に従う）蛍光発光が用いられてきました（照射光の波长は1000ナノメートル以下）。波长1400ナノメートル程度までの近赤外の波长领域は「生体の窓」と呼ばれ、光が生体组织に遮られにくいため、マウスなどの実験动物体内の血管や臓器等の発光イメージングに最适と考えられています。しかしながら、波长1100ナノメートル以上の近赤外光は、広く普及しているシリコン製の颁颁顿カメラでは全く捉える事ができないため、蛍光の検出に高価なレアメタル化合物半导体材料で作られた特殊なカメラを準备する必要がありました。今回の発见は、イメージングに利用する光波长の范囲を「生体の窓」领域内に保ったまま、照射光と蛍光の光波长を「入れ替える」ことを可能にします。したがって、照射する光として生体透过性の高い波长1100ナノメートルの近赤外光を使って、シリコン製の颁颁顿カメラで捉える事ができる1000ナノメートル以下の短い波长の领域でナノチューブを光らせることができます。
（补）透明なガラス皿の底に敷き詰めた树脂中に、封じ込めて配置されたカーボンナノチューブ分散溶液（ガラス皿中心部）の写真。比较のため、黒い蜂の巣模様が印刷された纸の上に载せて撮影。（产）同じ试料のアップコンバージョン発光画像。カーボンナノチューブの発光だけがクリアに観测されている。背景の纸や、蜂の巣模様に印刷されたインクからの発光は観测されない。（肠）生体组织を模した光散乱体で覆われたガラス皿の写真。光散乱体は可视光领域では完全に不透明であり、背景の模様も见えなくなっている。（诲）光散乱体（厚さ4ミリメートル）の后ろに置かれたカーボンナノチューブ分散液のアップコンバージョン発光画像。近赤外光の高い透过性により、散乱体があっても、カーボンナノチューブからの発光が鲜明に観测できる。（产）と（诲）における照射光の波长は1064ナノメートル、光强度は约6ミリワット／平方センチメートル。シリコン製の电子増倍型冷却颁颁顿カメラを用いて撮影
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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Naoto Akizuki, Shun Aota, Shinichiro Mouri, Kazunari Matsuda & Yuhei Miyauchi
"Efficient near-infrared up-conversion photoluminescence in carbon nanotubes"
Nature Communications 6, Article number: 8920, Published 16 November 2015
- 京都新聞（11月19日 25面）および日刊工業新聞（11月23日 13面）に掲載されました。
