プロトンの濃度変化によってさまざまな色で発光する透明高分子発光材料を開発――発光素子、pHセンシングなど幅広い応用に期待 東京理科大学

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東京理科大学は2020年9月7日、プロトン濃度変化に応じてさまざまな色に発光色が変化する透明高分子発光材料を開発したと発表した。

同大学によると、省エネルギー材料の1つとして応用が期待されている透明性の発光材料のうち、特に高分子素材を用いたものはサイズや形状の自由度が高いために、最近注目が集まっている。しかし従来、発光材料の種類によって、それが発する光の波長範囲(=発光色)は決まっていた。

今回の研究では、異なるpH領域で発光可能な2種類の発光性希土類錯体を使い、それをプロトン伝導性の陽イオン交換分子膜「ナフィオン」に取り込み。電圧の印加によって膜内部のプロトン濃度(=pH)を局所的に変化させることによって発光色を可逆的に変化させることに成功した。

今回希土類には緑色に発光するテルビウムイオン(Tb3+)と赤色に発光するユウロピウムイオン(Eu3+)の2種の希土類イオンを含む錯体を使用。この希土類錯体を溶解させたエタノール溶液にナフィオン膜を浸漬することで2種類の希土類錯体を含有したナフィオン膜を作製した。

作製したナフィオン膜試料は、pH2~12の11種類の緩衝液にそれぞれ浸漬し、波長365nmの紫外光照射下で発生した発光を、発光スペクトル機器による測定と目視によって確認。pH2~5では緑色に、pH6~8では中間色の黄色に、そしてpH9~12では赤色の発色を示した。

この発色の変化は、希土類錯体内でTb錯体とEu錯体が、それぞれ低pHと高pHで各希土類イオン周辺に存在するPBA-イオンから励起エネルギーを受け取る、という特徴的なpH応答性に由来する。

また、pH3の初期条件で緑色に発光するナフィオン膜に電圧を印加。その結果陽極付近から赤色に変化し始め、徐々にその変化が陰極の方に広がり、最後にすべてが赤色になる現象を確認した。これは、電圧の印加によりナフィオン膜中のプロトンが陰極方向へ伝動したために発生した現象だ。これは膜中の局所的なプロトン濃度の変化に応じて発光色が変化する透明高分子膜を開発したことを示す。

今回開発したマルチカラー透明高分子発光材料は、サイズや形状の自由度の高い省エネルギー材料として、照明やディスプレイ、セキュリティ分野などへの応用が期待されるという。また、イオン(プロトン)の伝導によって発色が変化するメカニズムを利用して、生体試料中の異なるpH領域を可視化する染色法や、生体中のpH変化を細胞レベルで検出するセンサーなどへの応用も期待される。

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